Luận văn Nghiên cứu các điều kiện xác định các dạng asen bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -----X----- NguyÔn thÞ thu h»ng Nghiªn cøu c¸c ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh c¸c d¹ng asen b»ng ph−¬ng ph¸p phæ hÊp thô nguyªn tö LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc CHUY£N NGμNH: HO¸ PH¢N TÝCH M∙ Sè: 1.04.03 C¸N Bé H¦íNG DÉN KHOA HäC: TS. T¹ THÞ TH¶O Hµ Néi, 2008 NguyÔn ThÞ Thu H»ng lêi c¶m ¬n Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN Lêi c¶m ¬n Víi lßng biÕt ¬n s©u s¾c, t«i xin ch©n thμnh c¶m ¬n TS. T¹ ThÞ Th¶o ®· giao ®Ò tμi vμ tËn t×nh h−íng dÉn, t¹o ®iÒu kiÖn cho t«i hoμn thμnh luËn v¨n nμy. T«i còng xin ch©n thμnh c¶m ¬n PGS. TS. Chu Xu©n Anh vμ c¸c thÇy c« trong bé m«n Ho¸ ph©n tÝch ®· hÕt lßng gióp ®ì t«i trong qu¸ tr×nh häc tËp vμ nghiªn cøu. Cuèi cïng, t«i xin göi lêi c¸m ¬n gia ®×nh vμ c¸c b¹n häc viªn, sinh viªn bé m«n Ho¸ Ph©n tÝch ®· gióp ®ì t«i trong thêi gian lμm luËn v¨n. Hμ Néi, ngμy 25 th¸ng 7 n¨m 2008 Häc viªn NguyÔn ThÞ Thu H»ng NguyÔn ThÞ Thu H»ng C¸C KÝ HIÖU VIÕT T¾T Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN BẢNG KÍ HIỆU NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT Bình phương tối thiểu nghịch đảo (inverse least squares) ILS Hồi qui cấu tử chính (Principal component regression) PCR Cấu tử chính (Principal component) PC Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật hidrua hoá HVG - AAS NguyÔn ThÞ Thu H»ng Môc lôc Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN LuËn v¨n th¹c sÜ MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... - 1 - CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. - 3 - 1.1. TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN, NGUỒN GỐC Ô NHIỄM VÀ CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG DUNG DỊCH CỦA ASEN ................................................ - 3 - 1.1.1. Trạng thái tự nhiên và nguồn gốc ô nhiễm As ............................................. - 3 - 1.1.2. Các dạng tồn tại trong dung dịch của As ....................................................... - 4 - 1.2. ĐỘC TÍNH CỦA CÁC DẠNG ASEN ...................................................... - 5 - 1.3. SỰ PHÂN TÁN, DI CHUYỂN VÀ CHUYỂN HÓA LẪN NHAU TRONG MÔI TRƯỜNG CỦA CÁC DẠNG ASEN ...................................................... - 7 - 1.4. HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM ASEN Ở VIỆT NAM...................................... - 8 - 1.5. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI CÁC DẠNG ASEN ......... - 10 - 1.5.1. Các phương pháp xác định có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG) ....... - 10 - 1.5.2. Phương pháp sử dụng hệ tách HPLC kết hợp với một detector .............. - 11 - 1.6.1. Giới thiệu phần mềm Matlab ......................................................................... - 12 - 1.6.2. Cơ sở phương pháp toán ................................................................................. - 13 - 1.6.3. Xác định đồng thời các dạng As bằng phương pháp HVG – AAS sử dụng Chemometrics .............................................................................................................. - 21 - CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ...................................................................... - 23 - 2.1. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ - 23 - 2.1.1. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ - 23 - 2.1.2. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... - 23 - 2.2. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM ........................................... - 24 - 2.2.1. Hóa chất ............................................................................................................. - 24 - 2.2.2. Dụng cụ và trang thiết bị đo ........................................................................... - 25 - 2.2.3. Các phần mềm tính toán và xử lí .................................................................. - 25 - 2.3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM ................................................................... - 25 - NguyÔn ThÞ Thu H»ng Môc lôc Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN LuËn v¨n th¹c sÜ 2.3.1. Qui trình phân tích ........................................................................................... - 25 - 2.3.2. Các thuật toán hồi qui đa biến ....................................................................... - 26 - CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. - 28 - 3.1. NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG As(III) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HVG – AAS .............................................. - 28 - 3.1.1. Khảo sát các thông số của máy đo AAS ...................................................... - 28 - 3.1.2. Khảo sát điều kiện khử As(III) thành asin với hệ HVG ........................... - 29 - 3.1.3. Khảo sát khoảng tuyến tính và lập đường chuẩn xác định As(III) ......... - 43 - 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của các ion lạ tới phép xác định As(III) bằng phương pháp HVG – AAS ....................................................................................................... - 45 - 3.2. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT KHỬ ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHỬ CÁC DẠNG As THÀNH ASIN .............................................. - 51 - 3.2.1. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của KI ............................... - 51 - 3.2.2. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của hệ khử KI/Ascobic ... - 52 - 3.2.3. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của NaHSO3 ..................... - 54 - 3.2.4. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của L-cystein .................... - 55 - 3.3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG PHẢN ỨNG ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHỬ CÁC DẠNG As THÀNH ASIN BẰNG CHẤT KHỬ NaBH4 ............................................................................................................. - 56 - 3.4. XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI CÁC DẠNG As THEO PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP VỚI CHEMOMETRICS .................... - 61 - 3.4.1. Đường chuẩn xác định các dạng As riêng rẽ .............................................. - 61 - 3.4.2. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng.................................................. - 62 - 3.4.3. Độ lặp lại và độ đúng của các phép xác định riêng từng dạng As .......... - 64 - 3.4.4. Kiểm tra tính cộng tính của các dạng As ..................................................... - 65 - 3.5. ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ .............................................................................................. - 70 - NguyÔn ThÞ Thu H»ng Môc lôc Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN LuËn v¨n th¹c sÜ 3.5.1. Đánh giá tính phù hợp của phương trình hồi qui thông qua mẫu kiểm chứng ............................................................................................................................. - 70 - 3.5.2. Ứng dụng phân tích mẫu thực tế và tính hiệu suất thu hồi của phương pháp ................................................................................................................................ - 76 - KẾT LUẬN ..................................................................................................... - 83 - TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... - 85 - PHỤ LỤC ................................................................................................................ i NguyÔn ThÞ Thu H»ng Më §ÇU Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 1 - LuËn v¨n th¹c sÜ MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển nhanh chóng của xã hội hiện đại, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày nay đang trở thành mối quan tâm chung của nhân loại. Số lượng các độc chất phân tán trong môi trường ngày một nhiều hơn do các hoạt động sản xuất và tiêu thụ đa dạng của con người ngày một tăng. Một trong số những nguyên tố gây ô nhiễm mang độc tính cao nhất là Asen (As) đã và đang được phân tán nhanh trong môi trường theo nhiều con đường [1, 9, 45]. As được xem là độc chất bảng A không chỉ do tính độc hại lớn mà còn do nó có khả năng tích lũy cao trong cơ thể sinh vật và xâm nhập vào cơ thể qua nhiều đường, mặt khác, y học hiện nay vẫn chưa có phác đồ điều trị hiệu quả cho bệnh nhân nhiễm độc As. Mặc dù As và một số hợp chất của nó là tác nhân gây nhiều bệnh ung thư, đột biến và tổn thương nội tạng nhưng đối với quá trình sinh trưởng thì As là nguyên tố vi lượng cần thiết [1, 27, 40]. Do đó, hàm lượng As trong môi trường được qui định rất nghiêm ngặt. Trong những thập kỉ gần đây, vấn đề ô nhiễm As đang ngày càng trở nên nóng bỏng hơn do mức độ ô nhiễm trên diện rộng ngày một gia tăng nhanh chóng theo tốc độ phát triển của đời sống con người. Tùy theo nguồn ô nhiễm và điều kiện phát tán, As đi vào môi trường theo nhiều con đường và tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, khả năng phân tán và di chuyển trong môi trường, hấp phụ và tương tác lên cơ thể con người của các dạng cũng khác nhau [9, 11]. Vì vậy, việc định lượng các dạng As để đánh giá mức độ nhiễm độc và làm tiền đề cho việc khảo sát nguồn ô nhiễm, từ đó lập biện pháp thích hợp để loại trừ và hạn chế ô nhiễm lan rộng là vấn đề cấp bách. Trong nghiên cứu xác định lượng vết các dạng As, số lượng các công trình nghiên cứu còn hạn chế 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 như AAS, AES, AFS, MS, ...[8, 10, 19, 24, 32]. Các hệ đo này cho phép tách và định lượng đồng thời các dạng As một cách hiệu quả trên nhiều đối tượng, đặc biệt là đối tượng sinh học. Nhưng, 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 được. Vấn đề đặt ra trong thực tế thí nghiệm Việt Nam hiện nay là cần nghiên cứu một phương pháp có thể sử dụng các thiết bị phổ biến hơn để định dạng As mà không cần công đoạn tách. NguyÔn ThÞ Thu H»ng Më §ÇU Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 2 - LuËn v¨n th¹c sÜ Trong những năm gần đây, 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 được ứng dụng ngày một rộng hơn. Một mảng quan trọng trong Chemometrics đang được 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 được 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 chưa có nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này tuy ưu điểm của nó là rất lớn so với các hướng nghiên cứu khác. Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn nghiên cứu góp phần phát triển các phương pháp xác định đồng thời các dạng As theo hướng ứng dụng Chemometrics trong phạm vi luận văn là nghiên cứu các điều kiện xác định các dạng As bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 3 - LuËn v¨n th¹c sÜ CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN, NGUỒN GỐC Ô NHIỄM VÀ CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG DUNG DỊCH CỦA ASEN 1.1.1. Trạng thái tự nhiên và nguồn gốc ô nhiễm As As xuất hiện trong môi trường ở dạng hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ. As phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên, đặc biệt là trong nguồn nước như nước ngầm, nước biển, nguồn nước khoáng, nước sông suối. Trong tự nhiên As tồn tại chủ yếu ở các dạng hợp chất với O, Cl, S, trong khoáng vật như khoáng sắt, đá vôi, muối mỏ, reagal As4S4, opriment As2S3, asenopirit FeAsS, quặng kẽm, …[3, 27, 28]. Việc sử dụng rộng rãi As trong nhiều ngành công nghiệp như dược, 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 như công nghiệp xi măng, nhiệt điện, công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễm không khí, nước bởi As [12, 14, 45]. 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 lượng lớn đất đá thải có lẫn asenopyrit ở lân cận khu mỏ. Tại các nhà máy tuyển quặng, asenopyrit được tách ra khỏi các khoáng vật có ích và phơi ra không khí. Asenopyrit bị rửa trôi, dẫn đến hậu quả là một lượng lớn As được đưa vào môi trường xung quanh. Những người 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 được chất đống ngoài trời và trôi vào sông suối, gây ô nhiễm tràn lan. Bên cạnh đó, các quá trình tự nhiên như 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 trường sống [1, 27, 33, 35]. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 4 - LuËn v¨n th¹c sÜ 1.1.2. Các dạng tồn tại trong dung dịch của As Sau khi phát tán vào môi trường, 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 trường tồn tại. Bảng 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- trimetylasonietanol) Me3As+CH2CH2OH 11. Dimetylasinoyletanol Me3As+(O-)CH2CH2OH Các dạng chủ yếu của As trong môi trường nước – đối tượng được quan tâm nhất trong phân tích môi trường – là bốn dạng As(III), As(V), DMA và MMA, trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn. Hàm lượng As trong nước ngầm phụ thuộc vào tính chất và trạng thái môi trường địa hóa. As tồn tại trong nước ngầm ở dạng H2AsO4- (trong môi trường pH axit đến gần trung tính), HAsO42- (trong môi trường kiềm). Hợp chất H3AsO3 được hình thành chủ yếu NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 5 - LuËn v¨n th¹c sÜ trong môi trường oxi hóa-khử yếu [11, 35]. Hình 1 minh họa cho sự tồn tại của các dạng As vô cơ và hàm lượng As trong dung dịch dưới ảnh hưởng tương hỗ của pH và thế oxi hoá khử của dung dịch (Eh) ở một số vùng. Hình 1. Ảnh hưởng của Eh và pH đến sự tồn tại của các dạng As vô cơ (Số liệu tham khảo ở bốn vùng: a, Arizona; b, Korea; c, Bangladesh; d, India) [35] 1.2. ĐỘC TÍNH CỦA CÁC DẠNG ASEN Như chúng ta đã biết, As là nguyên tố vi lượng, rất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của con người và sinh vật. Ở hàm lượng nhất định, As có vai trò quan trọng trong trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin. Tuy nhiên, khi xuất hiện ở hàm lượng cao hơn, As và các hợp chất của nó là tác nhân gây 19 bệnh ung thu, đột biến và dị thai trong tự nhiên. Đối với thực vật, As cản trở quá trình trao đổi chất, làm giảm mạnh năng suất, đặc biệt trong môi trường thiếu photpho. Sự nhiễm độc As được gọi là arsenicosis. Đó là một tai họa môi trường đối với sức khỏe con người. Những biểu hiện của bệnh nhân nhiễm độc As là chứng sạm da (melanosis), dày biểu bì (kerarosis), tổn thương mạch máu, rối loạn cảm giác về sự di động, ... Người bị nhiễm độc As lâu ngày sẽ xuất hiện NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 6 - LuËn v¨n th¹c sÜ hiện tượng sừng hóa da, gây sạm và mất sắc tố da hay bệnh Bowen, ... từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da, viêm răng, khớp, tim mạch, ... [12, 17, 28, 40]. Độc tính cao của As và các hợp chất của nó còn do khả năng nhiễm độc qua nhiều con đường: hô hấp, tiêu hoá, tiếp xúc qua da, đặc biệt As là tác nhân gây ung thư trên mọi bộ phận của cơ thể [11, 12]. Hiện tại trên thế giới chưa có phương pháp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc As, 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 [1, 14]. Hình 2. Một số hình ảnh về nạn nhân nhiễm độc As [45] Trong số các hợp chất của As thì As(III) vô cơ độc hơn cả. As(III) có độc tính cao hơn As(V) khoảng 50 lần do As(V) và các hợp chất As hữu cơ được đào thải qua thận rất nhanh và hầu như toàn bộ. As(III) thể hiện tính độc vì nó tấn công vào các nhóm hoạt động -SH của enzim làm vô hiệu hoá enzim: 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. Tuy nhiên, phần lớn As(III) hấp thụ vào cơ thể đều nhanh chóng bị triệt tiêu qua đường tiết niệu đào thải As chưa metyl hóa và thông qua hoạt động khử độc của gan bằng cách metyl hóa thành MMAA hoặc DMAA [27, 40]. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 7 - LuËn v¨n th¹c sÜ As(V) ở dạng AsO43- có tính chất tương tự PO43- sẽ thay thế PO43- gây ức chế enzim, ngăn cản quá trình tạo ATP là chất sản sinh ra năng lượng 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 [13, 33]. 1.3. SỰ PHÂN TÁN, DI CHUYỂN VÀ CHUYỂN HÓA LẪN NHAU TRONG MÔI TRƯỜNG CỦA CÁC DẠNG ASEN As phân bố rộng rãi trong môi trường dưới nhiều trạng thái khác nhau và đi vào các môi trường sống theo nhiều cách thức và tốc độ khác nhau. Trong địa quyển: As tích lũy trong một số thành tạo địa chất như khoáng vật và quặng phong hóa ở lượng lớn nhưng khá phân tán. As được bổ sung vào đất qua tích lũy từ nước, xâm nhập từ không khí và rác thải công nghiệp. Lượng As trong đất di chuyển do các quá trình địa chất, địa hóa và sinh địa hóa khác nhau. Trong đất, các dạng As vô cơ tham gia quá trình oxi hóa và metyl hóa nhờ các vi sinh vật [1, 9, 28, 37]. Trong thủy quyển: Sự phân tán và di chuyển của As trong môi trường nước đặc biệt quan trọng vì phần lớn các quá trình ô nhiễm đều do ô nhiễm nước. As từ đất được giải phóng vào môi trường nước do quá trình oxi hóa các khoáng sunfua hoặc khử các khoáng oxi hidroxit giàu As hay quá trình rửa trôi và khuếch tán tự nhiên. Về cơ chế xâm nhiễm các kim loại nặng - trong đó có As - vào nước ngầm cho đến nay đã có nhiều giả thiết khác nhau nhưng vẫn chưa thống nhất. Thông qua các quá trình thủy địa hóa và sinh địa hóa, các điều kiện địa chất thủy văn mà As có thể xâm nhập vào môi trường nước. Hàm lượng As trong nước ngầm phụ thuộc vào tính chất và trạng thái môi trường địa hóa. Nước ngầm trong những vùng trầm tích núi lửa, khu vực quặng hóa nguồn gốc nhiệt dịch, mỏ dầu khí, mỏ than, ... thường giàu As [17, 35, 41]. Ngoài quá trình di chuyển từ đất vào nước, ô nhiễm As trong nước còn do quá trình đào thải công nghiệp. Lượng lớn As trong công nghiệp và khai thác mỏ được đưa nhanh vào nguồn nước do thải trực tiếp hoặc quá trình rửa trôi gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước trên diện rộng do khả năng hòa tan cao của các hợp chất As [1, 12, 14]. Trong khí quyển: Lượng As đi vào không khí chủ yếu do hai nguồn là khí thải công nghiệp hay khí núi lửa và do vi sinh vật chuyển vào [11]. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 8 - LuËn v¨n th¹c sÜ Trong sinh vật quyển: As đi vào cơ thể thực vật qua nước hoặc đất là chủ yếu, sau đó chuyển vào cơ thể động vật và bị hấp thụ, chuyển hóa và tích lũy một phần. As xâm nhập vào cơ thể sinh vật, đặc biệt là cơ thể người theo nhiều con đường, trong đó phổ biến là qua đường tiếp xúc và qua tiêu hóa. Phần lớn lượng As đi vào cơ thể động vật bị chuyển hóa nhanh chóng và đào thải ra môi trường, tiếp tục chu trình vận chuyển của nó trong tự nhiên [6, 19, 32, 33]. Hình 3 là sơ đồ các quá trình chuyển hóa đơn giản của As trong tự nhiên. Hình 3. Quá trình chuyển hóa của các dạng As trong môi trường [30] 1.4. HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM ASEN Ở VIỆT NAM Những năm gần đây, khi trên thế giới đã phát hiện nhiều vùng nhiễm As có ảnh hưởng nghiêm trọng tới đời sống và sức khoẻ người dân thì vấn đề ô nhiễm As ở Việt Nam cũng trở thành vấn đề thời sự. Viêc liên tiếp phát hiện nhiều vùng ô nhiễm As ở mức độ nặng đã khiến Việt Nam có tên trong bản đồ ô nhiễm As của thế giới [39, 41] NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 9 - LuËn v¨n th¹c sÜ Hình 4. Bản đồ phân bố As trong nước ngầm ở các tỉnh Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình năm 2001 [41] Vấn đề As bắt nguồn chủ yếu do địa chất. Nước ngầm tại các trầm tích cách đây 25000 đến 80000 năm đang ảnh hưởng mạnh tới 50% lãnh thổ Bangladesh [28]. Nước ta cũng có cấu tạo địa tầng như Bangladesh, đặc biệt là ở lưu vực đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long, do đó nguy cơ nước ngầm bị ô nhiễm As tương đối cao [41]. Những nghiên cứu sơ bộ của UNICEF phối hợp với Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Cục Địa chất Khoáng sản và Viện Hoá học trong thời gian gần đây cho thấy nhiều mẫu nước ngầm tại một số tỉnh đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long có hàm lượng As vượt quá nhiều lần chỉ tiêu cho phép của WHO. Theo ước tính của UNICEF, tại nước ta hiện nay, số người có nguy cơ mắc bệnh do tiếp xúc với As đã lên đến 10 triệu. Tại điểm nóng Hà Nam, kết quả xét nghiệm As trong tóc và nước tiểu của 100 người dân cho thấy hàm lượng As đã cao hơn cả chục lần so với người bình thường. Cũng tại đây, 94,4% giếng khoan được nghiên cứu có hàm lượng As cao hơn tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống. Ngay tại Hà Nội, nước ngầm bị nhiễm As đã được phát hiện từ năm 1996, đặc biệt tại một số khu vực như Quỳnh Lôi - quận Hai Bà Trưng. Bản đồ phân bố hàm lượng As (hình 4) tại một số tỉnh phía bắc trên đây cũng NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 10 - LuËn v¨n th¹c sÜ cho thấy nhiều vùng có hàm lượng As trong nước ngầm cao hơn mức cho phép nhiều lần [1]. 1.5. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI CÁC DẠNG ASEN 1.5.1. Các phương pháp xác định có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG) Phương pháp này dựa trên nguyên tắc khử các hợp chất As về dạng asin và metylasin sau đó định lượng sản phẩm sinh ra để tính ngược lại hàm lượng các hợp chất ban đầu nếu mỗi dẫn xuất của asin được sinh ra từ một hợp chất ban đầu. Phương pháp cổ điển nhất xác định As theo hướng này là phương pháp Guizeit - sử dụng Zn và axit HCl để khử As và đo asin bằng phép đo quang với bạc dietyldithiocacbamat [34]. 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 lượng asin như AAS, GC – AAS, GC – MS, ... [36, 37, 39]. Các nhà khoa học nghiên cứu định lượng các dạng As theo hướng này đã đưa ra một số vấn đề cần lưu ý cho quá trình xác định [32]. Thứ nhất, hiệu suất khử các dạng As thành asin và dẫn xuất asin phụ thuộc nhiều vào môi trường phản ứng và nồng độ NaBH4. Mỗi dạng As có một môi trường khử tối ưu riêng, đây cũng là cơ sở chính của phương 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 hưởng tới phép đo như các ion kim loại nặng, nitrat, ... chủ yếu theo hướng làm giảm tín hiệu tức là giảm độ nhạy của phương pháp và cách thức các ion này ảnh hưởng lên phép đo không như nhau. Các nghiên cứu gần đây phát triển theo hướng này đã có những thành tựu đáng kể trong việc góp phần định lượng các dạng As vô cơ. Emil A.Cordosa và các cộng sự đã xác định hàm lượng As(III) và As(V) trong mẫu trên hệ HVG – AAS bằng cách điều chỉnh pH của môi trường phản ứng [15]. Nghiên cứu này chỉ ra rằng, với các điều kiện khử nhất định (về tốc độ dòng, nồng độ chất khử, ...) thì As(V) sẽ hoàn toàn không bị khử tại pH = 2, do đó có thể xác định riêng hàm lượng As(III), sau đó sử dụng L – cystein khử hoàn toàn As(V) về As(III) để xác định tổng hàm lượng và suy ra lượng As(V). Trong một công trình khác, NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 11 - LuËn v¨n th¹c sÜ Jian-bo Shi và đồng nghiệp [37] đã chiết hai dạng As vô cơ ra khỏi mẫu đất và sử dụng hệ HVG – AFS để xác định riêng từng dạng bằng cách xác định As(III) trong môi trường axit citric 0,1M và xác định tổng hàm lượng As sau khi khử As(V) về As(III) bằng L – cystein ngay trên dòng. Số lượng công trình áp dụng kĩ thuật hidrua hoá xác định As rất lớn và đa dạng [18, 36, 37] cho thấy tính ưu việt vượt 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 như MS hay các detector quang khác. 1.5.2. Phương pháp sử dụng hệ tách HPLC kết hợp với một detector Việc kết hợp hệ tách HPLC và một detector (AAS, AFS, MS, ...) đã tạo thành các hệ xác định dạng As hiệu dụng cao và đang ngày một trở nên phổ biến trong các phòng thí nghiệm hiện đại. Nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này đã đạt được những thành tựu nhất định trong việc định lượng các dạng As cũng như phát hiện và ghi nhận thời gian lưu của các dạng chưa biết. Việc sử dụng các hệ xác định này cho nhiều tiện ích trong việc xác định hàm lượng As, đặc biệt là ưu thế sử dụng lượng mẫu nhỏ nên nó phù hợp với yêu cầu xác định lượng vết ở nhiều đối tượng khác nhau [32]. Các tác giả [10] đã tiến hành xác định hàm lượng các dạng As trong mẫu nước tự nhiên với độ nhạy khá cao (<1ppb) và độ thu hồi tốt khi sử dụng hệ HPLC – ICP – MS để tách và định lượng. Cũng sử dụng hệ này, tác giả [21] đã thử nghiệm khả năng tách trên cột tách ODS phủ photphatidylcholin, pha động là hệ đệm citrat pH = 4 và hợp chất tạo cặp ion để tách các dạng hữu cơ và vô cơ là tetrametylamoni hidroxit xác định các dạng As. Nghiên cứu này đã cho thấy có thể xác định được 5 dạng As trong huyết thanh bệnh nhân sau điều trị nhiễm độc As là As(III), As(V), DMA, MMA và AB với độ nhạy dưới 5ppb cho các dạng và lượng mẫu tiêu tốn thấp (20μL). Các nghiên cứu khác [20, 46] cũng cho những thành tựu đáng lưu ý trong việc mở rộng đối tượng xác định cũng như nâng cao độ nhạy của phương pháp. Với các detector quang học, số lượng công trình phong phú hơn nhiều. Các tác giả [36] đã xác định thành công 12 dạng As trong mẫu thủy sản ở Hi Lạp với hệ HPLC – (UV) – HG - AFS sử dụng cột trao đổi ion và hai pha động là piridin – HCl có pH = 2,65 và đệm photphat pH = 5,6. Tác giả [22] đã tối ưu hóa NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 12 - LuËn v¨n th¹c sÜ quá trình tách và xác định các dạng As trong một số loài thực vật trên hệ HPLC – HVG – AFS với pha động là dung dịch NaH2PO4 và dung môi chiết là hệ nước – metanol (1:2) và thu được kết quả là trên 73% lượng As được chiết sau 3 phân đoạn. Kết quả phân tích các mẫu lá đào theo phương pháp này cho thấy As(V) chiếm lượng lớn và không phát hiện được As(III) trong các mẫu này. Sử dụng hệ HPLC – HVG – AFS, tác giả [26] còn xác định kết hợp được các dạng As và selen trong đối tượng nước tự nhiên với độ nhạy cao. Ngoài các công trình trên, số lượng 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 lượng của các detector khi kết hợp với hệ tách HPLC [8, 19, 20, 43] và nhận thấy mỗi loại có ưu thế xác định các nhóm hợp chất As khác nhau, tuỳ theo đối tượng cụ thể để lựa chọn detecter phù hợp. 1.6. XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI CÁC DẠNG ASEN SỬ DỤNG CHEMOMETRICS 1.6.1. Giới thiệu phần mềm Matlab Matlab (Matrix laboratory), theo tên gọi của nó, là một công cụ phần mềm của Math Work, ban đầu được 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 như cơ học, vật lí, sinh học, hoá học, mô phỏng, … đối với cả dữ liệu rời rạc hay liên tục [2, 4, 5, 16]. Mức phát triển của Matlab chứng tỏ nó là phần mềm có giao diện cực mạnh và nhiều lợi thế trong kĩ thuật lập trình để giải quyết những vấn đề đa dạng trong nghiên cứu khoa học kĩ thuật. Trong Matlab, các câu lệnh viết sát với các mô tả kĩ thuật nên lập trình trên ngôn ngữ này thực hiện nhanh, đơn giản hơn so với nhiều ngôn ngữ thông dụng khác như Pascal, Fortran,… Những hàm có sẵn trong Matlab có cấu trúc thiết lập gần giống ngôn ngữ C, do đó người dùng không mất nhiều thời gian học hỏi khi đã nắm được nhũng vấn đề cơ bản của một số ngôn ngữ lập trình thông dụng. Bên cạnh đó, Matlab không chỉ cho phép đặt vấn đề tính toán mà còn có thể xử lí dữ liệu, biểu diễn đồ hoạ 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 người sử dụng tạo lập. Đặc biệt hơn nữa, giao diện của NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 13 - LuËn v¨n th¹c sÜ Matlab cho phép đọc, xử lý và đưa tín hiệu đầu ra ngay trên các file Excel - rất tiện lợi cho quá trình xử lý tập số liệu phức tạp. Cuối cùng, với ưu điểm cài đặt đơn giản, có thể liên kết với các thư viện hỗ trợ như Simulink, Fuzzy, Toolbox, DSP (digital signal processing) hay tích hợp với các ngôn ngữ quen thuộc như C, C++, Fortran,…, Matlab đã thực sự trở thành công cụ phổ biến đắc lực trong các môi trường khác nhau [2, 5]. Với ưu thế là bộ chương 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. 1.6.2. Cơ sở phương pháp toán Chemometrics được định nghĩa là việc ứng dụng các phương pháp toán học, thống kê, đồ hoạ,… để qui hoạch thực nghiệm, tối ưu hoá các thông tin hoá học trích ra từ tập số liệu phân tích và đưa ra tối đa những thông tin hữu ích từ tập số liệu ban đầu [7, 23]. Ra đời từ những năm đầu của thập kỉ 70, cho tới nay Chemometrics đã xác lập được một vị trí quan trọng cho mình trong ngành hoá học, đặc biệt là trong hoá học phân tích hiện đại. Một mảng lớn trong Chemometrics phát triển nhanh gắn liền với toán học và tin học là hồi qui đa biến – kỹ thuật đa biến được 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 trước. 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 trước trong hỗn hợp (các biến độc lập x), đo tín hiệu phân tích của các dung dịch này dưới 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 này có thể tìm được nồng độ của các cấu tử trong cùng dung dịch định phân khi có tín hiệu phân tích của dung dịch đó [7]. Nếu các cấu tử có mặt trong hỗn hợp cho tín hiệu đo có tính chất cộng tính thì có thể sử dụng phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính thông thường (multiple linear regression- MLR) như phương pháp bình phương tối thiểu thông thường hoặc hiệu quả hơn như bình phương tối thiểu từng phần, phương pháp NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 14 - LuËn v¨n th¹c sÜ hồi qui cấu tử chính, …. Nhưng nếu trong hỗn hợp, các cấu tử có sự tương tác lẫn nhau làm mất tính chất cộng tính ở tín hiệu đo thì phải sử dụng mô hình hồi qui đa biến phi tuyến tính mà phổ biến là các phương pháp kết hợp với mạng nơron nhân tạo [31, 38]. Tùy thuộc vào đặc điểm của hàm phụ thuộc, có thể chia các phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính thành 2 nhóm chính: các phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính sử dụng phổ toàn phần như phương pháp CLS, PLS, ... và phương pháp sử dụng dữ liệu phổ riêng phần như ILS. Trong luận văn này, tín hiệu của các dung dịch chứa các dạng As được đo ở 5 điểm rời rạc nên chúng tôi chọn sử dụng phương pháp hồi qui trên phổ riêng phần ILS và thử nghiệm nghiên cứu phương pháp PCR vì phương pháp này về lí thuyết có thể sử dụng cho cả hai trường hợp của hàm phụ thuộc [29, 31, 38]. 1.6.2.1. Phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảo (inverse least squares - ILS) Phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảo (ILS) hay còn gọi là phuơng pháp ma trận P được xây dựng trên giả thiết rằng nồng độ của tín hiệu phân tích là hàm của tín hiệu đo [7, 29, 31]: C = P . A Trong phương pháp hồi qui đa biến, phương trình trên có thể khai triển thành: C1 = P11A1 + P12A2 + … + P1mAm C2 = P21A1 + P22A2 + … + P2mAm … Cx = Px1A1 + Px2A2 + … + PxmAm Trong đó: Am : Giá trị tín hiệu đo ở thời điểm m Pxm : Giá trị hệ số hồi qui của cấu tử thứ x tại thời điểm m. Cx : Nồng độ cấu tử thứ x. Các bước tính toán trong mô hình ILS bao gồm NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 15 - LuËn v¨n th¹c sÜ 1. Xây dựng các ma trận dữ liệu chuẩn: Để xây dựng đường chuẩn sử dụng kĩ thuật ILS ta cần xác định ma trận hệ số hồi qui P từ mẫu chuẩn có ma trận nồng độ C và ma trận tín hiệu đo A. P là ma trận chứa hệ số hồi qui của phương trình, trong đó mỗi hàng chứa hệ số hồi qui của một cấu tử, vì vậy số hàng của P là số cấu tử, số cột là số thời điểm đo. Do trong tập số liệu C và A đều có chứa sai số ngẫu nhiên nên để P mô tả chính xác quan hệ giữa C và A ta cần xác định P bằng phương pháp bình phương tối thiểu (tổng bình phương của sai số giữa giá trị tính theo mô hình và giá trị thực nghiệm là nhỏ nhất). 2. Xác định công thức tính P: C = A . P AT . C= AT . A . P [AT . A]-1 . AT . C = [AT . A]-1 . [AT . A] . P [AT . A]-1 . AT . C = P Để ma trận nghịch đảo của [AT . A] - nghịch đảo giả của A - tồn tại, A cần có số hàng tối thiểu bằng số cột. Mỗi hàng trong A là tín hiệu của một mẫu, mỗi cột là tín hiệu của các mẫu ở một thời điểm nhất định. Vì vậy, trong phương pháp ILS số mẫu không được ít hơn số thời điểm đo. Do yêu cầu về số mẫu tối thiểu như trên nên để tiến hành sử dụng phương pháp này, ta cần lựa chọn số thời điểm đo tối thiểu đặc trưng nhất trên toàn dải phổ, vì vậy, phương pháp ILS còn được gọi là phương pháp phổ riêng phần. Các điểm đo đặc trưng này thường là những điểm thỏa mãn các yêu cầu sau: ∗ Giá trị tín hiệu đo tại các thời điểm này lớn so với các điểm đo khác để tăng độ nhạy. ∗ Tín hiệu của các cấu tử khác nhau tại mỗi điểm đo được lựa chọn phải biến đổi khác nhau tức là có sự khác biệt lớn về tín hiệu đo tại mỗi điểm của các cấu tử. ∗ Tại các điểm này, tín hiệu của các ion cản trở phép đo là nhỏ nhất. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 16 - LuËn v¨n th¹c sÜ 3. Dự đoán thông tin của mẫu chưa biết: Với mẫu chưa biết nồng độ, từ ma trận tín hiệu đo Aunk của mẫu sẽ xác định được nồng độ các chất dựa vào ma trận P đã tính: Cunk = Aunk . P Ưu điểm của phương pháp ILS: - Thích hợp với tập số liệu nhỏ, ít thông tin. - Loại trừ được sai số nhiễu phổ và giảm thiểu được ảnh hưởng của các cấu tử lạ do đã lựa chọn các thời điểm đo đặc trưng. - Khi tín hiệu đo là các giá trị nhỏ hơn giá trị qui ước của nồng độ thì giá trị các hệ số trong ma trận P sẽ lớn hơn hệ số hồi qui của phương pháp CLS, điều này sẽ làm giảm sai số trong quá trình tính toán. Nhược điểm của phương pháp ILS: - Cần lựa chọn tối thiểu các thời điểm đo đặc trưng cho các cấu tử. Lựa chọn sai lệch sẽ dẫn đến sai số lớn trong quá trình tính toán. - Phải đảm bảo có tính cộng tính cao của các cấu tử ở các thời điểm đo được lựa chọn. 1.6.2.2. Phương pháp hồi qui cấu tử chính (Principal component regression - PCR) Hồi qui đa biến, trong trường hợp các biến có tương quan, là vấn đề gây nhiều khó khăn khi giải các bài toán phức tạp trong một số ngành như: vật lý, hóa học, các ngành khoa học tự động và thiết kế công trình,... Để giải quyết bày toán này, các nhà khoa học thường sử dụng phương pháp hồi qui cấu tử chính (PCR). PCR là phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảo trên tập dữ liệu mới thu được trong phép chiếu tập dữ liệu lên các vectơ đơn vị của không gian mới (PC – principal components) [7, 29, 31, 38] PCR bao gồm các bước tiến hành như sau: NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 17 - LuËn v¨n th¹c sÜ Cũng cần lưu ý rằng, do phương pháp này phát triển trên cơ sở của phương pháp ILS nên để sử dụng được các phương pháp này trong phân tích trắc quang chúng ta cần số mẫu chuẩn tối thiểu phải bằng số thời điểm sử dụng trong đường chuẩn mã hóa, tức là số mẫu chuẩn không nhỏ hơn số PC lựa chọn. Lấy một ví dụ cụ thể, khi đo phổ của 15 dung dịch chuẩn tại 100 bước sóng, để sử dụng phương pháp ILS, chúng ta cần phải giảm kích thước phổ xuống số bước sóng không quá 15. Cách đơn giản nhất là chọn ít hơn 15 bước sóng để đo độ hấp thụ nhưng sai số sẽ lớn nếu không chọn được các bước sóng đặc trưng cho phổ các chất. Với mô hình PCR ta có thể sử dụng toàn phổ để tính các PC, sau đó chọn số PC nhỏ hơn 15 để tính toán tiếp. Thông thường, với một tập số liệu có mức độ tập trung tốt thì chỉ có một số ít các PC đầu tiên là có nghĩa (có tổng phương sai tích lũy đủ lớn để coi rằng chúng đã chứa toàn bộ thông tin hữu ích đặc trưng của tập số liệu). Như vậy, sử dụng mô hình PCR có thể giảm được kích thước tập số liệu mà không làm mất thông tin đồng thời có thể loại được tín hiệu nhiễu của dữ liệu gốc. Các bước chính của PCR bao gồm: 1. Xử lý ban đầu (không bắt buộc) Nội dung chính của bước này là chuẩn hóa tập số liệu. Dữ liệu Các xử lý ban đầu không bắt buộc Các xử lý cần thiết Tính toán các vectơ riêng Lựa chọn các vectơ có ý nghĩa Phục hồi tập số liệu có nghĩa Xây dựng đường chuẩn NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 18 - LuËn v¨n th¹c sÜ 2. Các xử lý cần thiết: Với một tập số liệu đã chuẩn hóa hoặc chưa chuẩn hóa, trước khi sử dụng đều cần bước bình phương toàn tập dữ liệu - đây là yêu cầu bắt buộc đối với hầu hết các hàm tính vectơ riêng. D = AT . A Trong đó A là ma trận số liệu biểu diễn độ hấp thụ quang theo các thời điểm đo của các dung dịch chuẩn và AT là ma trận chuyển vị của ma trận A. 3. Xác định các vectơ riêng hay các PC: Có thể tính toán các vectơ riêng của tập số liệu bằng nhiều hàm toán học khác nhau. Có 3 hàm chính, thường sử dụng là hàm NIPALS (hàm phi tuyến lặp sử dụng kĩ thuật bình phương tối thiểu riêng phần), hàm SVD (hàm phân tách các giá trị riêng) và hàm Princomp (hàm tính các cấu tử chính). Cần lưu ý rằng, tất cả các hàm này đều tính toán và đưa ra tất cả các cấu tử nhưng thường không sử dụng tất cả mà chỉ sử dụng N cấu tử đầu đủ để xác định không gian mới [16, 23, 25]. NIPALS là hàm lặp thường sử dụng cho các tập số liệu kích thước lớn hoặc có độ đa cộng tuyến cao. Với tập số liệu có kích thước nhỏ, quá trình tính lặp trong hàm NIPALS sẽ làm khuếch đại sai số của tập số liệu nên thông thường người ta không sử dụng hàm này để tính các PC. SVD là hàm tính PC sử dụng phương pháp tách tập số liệu ban đầu thành các nhân tố. Các vectơ riêng và trị riêng của ma trận dữ liệu đều là những tập con riêng của các nhân tố trong SVD. Hàm SVD sử dụng hình thức chéo hóa cho phép khống chế thang đo một cách hợp lí nên giảm thiểu được sai số do làm tròn. Vì vậy hàm này sử dụng được với các kiểu tập số liệu rộng rãi hơn hàm NIPALS. Princomp là hàm tính toán trực tiếp các cấu tử chính (PC) có vai trò tương đương các vectơ riêng. Tuy nhiên, so với hàm SVD thì việc sử dụng hàm Princomp với tập số liệu lớn có ưu điểm là phương sai tập trung không cao nên vị trí các PC sẽ chênh lệch không quá lớn, do đó sai số trong quá trình làm tròn số và chuyển hóa tập số liệu sẽ nhỏ hơn. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 19 - LuËn v¨n th¹c sÜ Các hàm toán học trên đều đưa ra một ma trận cột chứa các vectơ riêng - Vc - là ma trận trong đó mỗi cột là một vectơ hay nhân tố mới - PC - của ma trận dữ liệu và số hàng ma trận là số thời điểm đo. Mỗi nhân tố hay vectơ này lại là tổ hợp bậc nhất của các điểm phổ ban đầu, phần đóng góp của các điểm này vào mỗi vectơ là khác nhau tùy thuộc vào giá trị hàm phụ thuộc tại điểm đó. Những điểm có giá trị đóng góp lớn vào các PC chứa phương sai lớn sẽ là những điểm đo có ảnh hưởng quyết định tới kết quả tính ma trận hệ số hồi qui và kết quả hồi qui sau đó. Ma trận kết quả thứ hai cũng rất quan trọng là ma trận phương sai của các PC: đó là dạng ma trận chéo đối với hàm SVD, là một vectơ cột đối với hàm NIPALS và hàm Princomp. 4. Lựa chọn các vectơ có nghĩa Đây là bước có ảnh hưởng đặc biệt quan trọng đến bước xử lý tiếp theo. Nếu giữ lại nhiều vectơ hơn số cần dùng thì những vectơ đó sẽ chứa cả tín hiệu nhiễu và như vậy, kết quả hồi qui sẽ mắc phải sai số. Nếu giữ lại không đủ số vecto cần thiết sẽ làm mất đi thông tin có ích từ tập dữ liệu, điều này cũng sẽ gây nên sai lệch giữa mô hình hồi qui thu được và mô hình thực. Vì vậy, việc đánh giá và lựa chọn các vectơ có nghĩa là rất quan trọng. Dưới đây là một số phương pháp phổ biến để xác định số PC có nghĩa [25, 29, 44]: ∗ Dùng các hàm chỉ thị: Có rất nhiều hàm chỉ thị khác nhau như CPV (tính phần trăm phương sai tích lũy), hàm IEF, ... ∗ Tính toán PRESS (tổng bình phương sai số dự đoán) để đánh giá thông tin từ dữ liệu. ∗ Phương pháp đánh giá chéo ∗ Phương pháp đánh giá Xu – Kailath ∗ Đánh giá theo tiêu chuẩn Akaike ∗ Tính phương sai của sai số tái lập VRE Các phương pháp này đều có những ưu điểm riêng khi sử dụng và kết quả đánh giá tương đối thống nhất với nhau. Phương pháp được sử dụng rộng rãi để lựa chọn các PC có nghĩa khi các PC này được tính bằng hàm SVD hay Princomp là phương pháp tính và đánh giá qua phần trăm phương sai tích lũy NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 20 - LuËn v¨n th¹c sÜ của các PC đó. Cách tính này đơn giản hơn và các hàm tính PC trên đã cho sẵn dữ liệu để có thể đánh giá nhanh. 5. Tính toán lại Sau khi loại bỏ các vectơ riêng không có nghĩa, chúng ta cũng loại được tín hiệu nhiễu của dữ liệu gốc và cần tính lại dữ liệu sau khi loại bỏ sai số. Như vậy, khi tính toán ở hệ tọa độ mới ta đã loại bỏ được tín hiệu nhiễu trong tập dữ liệu ban đầu. 6. Xây dựng đường chuẩn Khi xây dựng đường chuẩn PCR theo phương pháp ILS, điểm khác biệt duy nhất là tập số liệu sử dụng. Các bước tiến hành bao gồm: + Xác định phép chiếu trong hệ tọa độ mới: Aj = A . Vc Trong đó: Aj: ma trận số liệu ở hệ tọa độ mới A: ma trận gốc Vc: ma trận các vectơ riêng có nghĩa + Thay thế A bằng Aj trong phương trình hồi quy C = Aj . F , trong đó F được tính theo công thức: F = (AjT . Aj)-1 . AjT . C Nồng độ chất phân tích trong mẫu chưa biết được tính theo công thức: Cx = Ax . Vc . F = Ax . Fcal với Fcal = Vc . F đóng vai trò tương tự ma trận P trong phương trình của ILS Ưu điểm của phương pháp PCR: NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 21 - LuËn v¨n th¹c sÜ - Hội tụ đầy đủ các ưu điểm của phương pháp ILS đồng thời khắc phục được các nhược điểm của phương pháp ILS do tiến hành tính toán trên toàn phổ. - Phương pháp này cho phép loại bỏ sai số nhiễu phổ và sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo khi lựa chọn được số PC phù hợp. - Đối với trường hợp sử dụng phổ toàn phần, khi dùng các phương pháp khác như CLS, kết quả tính cuối cùng là kết quả tính trung bình trên toàn phổ nên kém chính xác hơn trường hợp dùng phổ chọn lọc. Khi sử dụng mô hình PCR, tuy kết quả vẫn tính trên tất cả các điểm nhưng đóng góp của các điểm đo sẽ khác nhau tùy theo lượng đóng góp của từng điểm này vào các PC được chọn mà lượng đóng góp này lại được phân tích dựa trên tín hiệu đo tại từng điểm của các mẫu chuẩn. Do có sự phân biệt và chọn lọc trong đánh giá mỗi điểm đo nên kết quả thu được sẽ chính xác hơn phương pháp tính trung bình trên toàn phổ ở các phương pháp phổ toàn phần khác. 1.6.3. Xác định đồng thời các dạng As bằng phương pháp HVG – AAS sử dụng Chemometrics Nhóm tác giả [42] đã phát triển một phương pháp xác định đồng thời 4 dạng As là As(III) vô cơ, As(V) vô cơ, DMA(V) và MMA(V) bằng phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật bình phương tối thiểu nghịch đảo để xây dựng đường chuẩn đa biến. Phương pháp này xây dựng trên cơ sở 4 dạng As này cho tín hiệu hấp thụ khác nhau khi đo trên hệ quang AAS sau khi khử bằng NaBH4. Với 4 biến độc lập, phương pháp này cần số điểm đo tín hiệu tối thiểu cũng là 4 điểm. Các tác giả đã nghiên cứu và lựa chọn đo tín hiệu các dạng As này tại 6 môi trường phản ứng là môi trường HCl 6M, 1M, 0,5M, axit axetic 1M, môi trường đệm citric/citrat có pH = 2 và 4. trong các môi trường khác nhau, tín hiệu thu được của các dạng As nghiên cứu cũng khác nhau cho thấy chúng có sự phụ thuộc lớn vào pH, bản chất axit và nồng độ axit sử dụng làm môi trường khử. tác giả đã sử dụng đường chuẩn đa biến xây dựng theo phương pháp ILS để kiểm tra các mẫu chuẩn và nhận thấy phương pháp xác định này có hiệu suất thu hồi tương đối cao, hoàn toàn phù hợp để ứng dụng định lượng mẫu thực tế. Giới hạn phát hiện của phương pháp này rất thấp, đối với As(III), As(V), MMA và DMA thì giá trị LOD lần lượt bằng hoặc thấp hơn 2,7ng/ml, 0,8ng/ml, 3,0ng/ml, NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 1. TæNG QUAN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 22 - LuËn v¨n th¹c sÜ 4,9ng/ml. Trên cơ sở phương pháp xác định này, chúng tôi đã xây dựng một phương pháp xác định đồng thời các dạng As sử dụng các mô hình đường chuẩn xây dựng trên kĩ thuật ILS và phát triển thêm phương pháp PCR. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 2. THùC NGHIÖM Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 23 - LuËn v¨n th¹c sÜ CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.1. Phương pháp nghiên cứu Cơ sở của phương pháp là dựa trên sự chênh lệch hiệu suất phản ứng khi khử các dạng As thành asin bằng NaBH4 trong các môi trường có nồng độ H+ khác nhau. Các phản ứng xảy ra khi khử 4 dạng As khảo sát (As(III) vô cơ, As(V) vô cơ, DMA(V) và MMA(V)) như sau [33, 43]: AsO43- + BH4- + H+ → AsO33- + H2 + BO3- AsO33- + BH4- + H+ → AsH3 + H2 + BO3- (CH3)nAs(O)(OH)3-n + BH4- + H+ → (CH3)nAs(OH)3-n + H2 + BO3- (CH3)nAs(OH)3-n + BH4- + H+ → (CH3)nAsH3-n + H2 + BO3- Trong đó, n là số nhóm thế metyl trong hợp chất. Dòng khí mang Ar sẽ dẫn AsH3 và các hợp chất metylasin khác sang vùng nguyên tử hóa: (CH3)nAsH3-n ⎯→⎯ 0t nC + As + (3 + 2n)H Định lượng As sinh ra bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử tại bước sóng đặc trưng của As là λ = 193,7nm. Tại mỗi môi trường phản ứng, các dạng As khác nhau sẽ bị khử với tốc độ khác nhau nên lượng As sinh ra là khác nhau, tín hiệu đo được cũng khác nhau. Dựa trên chênh lệch tín hiệu giữa các dạng As trong các môi trường phản ứng lựa chọn để thiết lập ma trận chuẩn cho mô hình xác định đồng thời ILS và PCR. 2.1.2. Nội dung nghiên cứu Để xây dựng qui trình xác định đồng thời các dạng As bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với việc sử dụng chemometrics, trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: 1. Tối ưu hóa qui trình xác định As(III) vô cơ trên hệ đo HVG – AAS. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 2. THùC NGHIÖM Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 24 - LuËn v¨n th¹c sÜ 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số chất khử đối với quá trình khử các dạng As thành asin. 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường khử các dạng As thành asin bằng chất khử NaBH4 làm cơ sở lựa chọn các môi trường phản ứng đo tín hiệu các dạng As. 4. Khảo sát khoảng tuyến tính của các dạng As, khả năng cộng tính và xây dựng đường chuẩn đa biến xác định đồng thời các dạng As trong dung dịch. 5. Dựa trên cơ sở các phương pháp ILS và PCR, sử dụng phần mềm Matlab để lập chương trình tính hệ số trong phương trình hồi qui từ mẫu giả. Đánh giá khả năng ứng dụng của hai phương pháp và lựa chọn phương pháp thích hợp để xác định hàm lượng các dạng As trong mẫu nước ngầm. 2.2. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 2.2.1. Hóa chất Các loại hoá chất được sử dụng là loại tinh khiết phân tích (P.A) và các dung dịch được pha chế bằng nước cất 2 lần. Chuẩn bị các dung dịch chuẩn: ∗ Dung dịch chuẩn As(III) dạng vô cơ 0,1M (7500ppm): Cân 0,9902g oxit As2O3, hòa tan trong 50ml dung dịch NaOH 5%, chuyển vào bình định mức 100ml, thêm nước cất đến khoảng 70ml, lắc đều. Thêm tiếp 10ml dung dịch HCl 2M, định mức tới vạch bằng nước cất và lắc đều. Độ chuẩn của dung dịch Na3AsO3 ở trên được xác định lại bằng phương pháp bromat với chỉ thị metyl da cam trong môi trường HCl 6M ở 70 – 800C. ∗ Dung dịch chuẩn gốc As(V) dạng vô cơ 1000ppm. ∗ Dung dịch chuẩn gốc DMA(V) 1000ppm trong HCl 1M: pha từ axit (CH3)2HAsO2. ∗ Dung dịch chuẩn gốc MMA(V) 1000ppm trong HCl 1M: pha từ muối CH3NaHAsO3.1,5H2O. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 2. THùC NGHIÖM Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 25 - LuËn v¨n th¹c sÜ ∗ Dung dịch NaBH4 1% pha trong NaOH 0,5%: Cân 1,0g NaBH4, hòa tan trong 10ml dung dịch NaOH 5%, chuyển vào bình định mức 100ml, định mức tới vạch và lắc đều. ∗ Các dung dịch HCl 6M, HCl 1M: Pha từ HCl đặc 37%(Merck). ∗ Các dung dịch đệm tactric – tactrat 1M có pH = 2, 3, 4: pha chế từ axit tactric và muối kali natri tactrat và hiệu chỉnh bằng máy đo pH. ∗ Các dung dịch H2SO4, HNO3 và các dung dịch chứa các ion cần thiết cho các khảo sát khác được chuẩn bị từ các dung dịch đặc và muối dạng tinh thể có độ tinh khiết cao. 2.2.2. Dụng cụ và trang thiết bị đo -Bình định mức thủy tinh loại 10ml, 25ml, 50ml, 100ml, 250ml -Các loại pipet vạch, pipet bầu -Phễu, cốc, bình tam giác, đũa thủy tinh -Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) Model AA-6800 ghép nối hệ thống HVG, hãng Shimadzhu, Nhật Bản. -Cân phân tích và cân kĩ thuật. -Máy đo pH HANNA Instrument 211 2.2.3. Các phần mềm tính toán và xử lí -Xử lý thống kê trên phần mềm Origin 6.0 và MINITAB 14 -Lập trình tính toán theo phương pháp hồi qui đa biến trên phần mềm Matlab 7.0 2.3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 2.3.1. Qui trình phân tích 2.3.1.1. Qui trình phân tích riêng As(III) Chuẩn bị các dung dịch chứa As(III) có nồng độ trong khoảng 0,2 – 10 ppb, điều chỉnh bằng dung dịch HCl hoặc NaOH sao cho pH của dung dịch nằm trong khoảng 1,5 – 2. Bơm mẫu As với tốc độ 6ml/phút, các dòng chất khử NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 2. THùC NGHIÖM Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 26 - LuËn v¨n th¹c sÜ NaBH4 1%/NaOH 0,5% và dòng HCl 6M có tốc độ 2ml/phút. Các điều kiện nguyên tử hóa và đo tín hiệu độ hấp thụ quang nguyên tử của dòng chất như sau: - Vạch phổ: 193,7nm - Cường độ dòng đèn: 7mA - Chiều cao đèn nguyên tử hóa: 16mm - Tốc độ dòng khí cháy: 1,8L C2H2/8L không khí/phút Tín hiệu thu được dưới dạng độ hấp thụ quang nguyên tử A 2.3.1.2. Qui trình phân tích đồng thời các dạng As Pha các dung dịch chuẩn chứa các dạng As (As(III), As(V), DMA, MMA) có nồng độ trong khoảng tuyến tính, đo tín hiệu các dung dịch này ở các điều kiện khử và nguyên tử hóa như trên trong 5 môi trường phản ứng là HCl 6M, HCl 1M, môi trường đệm tactric/tactrat 1M có pH = 2, 3, 4. Nhập số liệu ma trận nồng độ các chất và ma trận tín hiệu đo vào phần mềm Matlab, chạy chương trình tính toán ma trận hệ số hồi qui trên phần mềm và sử dụng ma trận này để tìm nồng độ các dạng trong mẫu. 2.3.2. Các thuật toán hồi qui đa biến 2.3.2.1. Phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảo (ILS) Thuật toán ILS giải trong Matlab như sau: - Nhập ma trận nồng độ C (40x4) của 40 dung dịch chuẩn chứa 4 dạng As phân tích vào phần mềm - Nhập ma trận độ hấp thụ quang A (40x5) - Tính ma trận hệ số hồi qui theo công thức: P = inv(A'*A)*A*C - Nhập ma trận giá trị Ax (k*5) của k mẫu cần định phân - Tính nồng độ các dạng theo công thức Cx = Ax*P NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 2. THùC NGHIÖM Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 27 - LuËn v¨n th¹c sÜ 2.3.2.2. Phương pháp hồi qui cấu tử chính (PCR) Thuật toán PCR giải trong Matlab như sau: - Nhập ma trận nồng độ C (40x4) và ma trận tín hiệu đo A của 40 dung dịch chuẩn chứa 4 dạng As cần phân tích - Bình phương tập số liệu chứa biến phụ thuộc: D = A’*A - Sử dụng một trong 3 hàm tính PC để xác định các PC. Câu lệnh sau sử dụng hàm SVD: [V S] = svd(D) - Tính ma trận phần trăm phương sai của các PC d = diag(S)/sum(diag(S))*100 - Từ giá trị phần trăm phương sai của các PC, căn cứ vào yêu cầu cụ thể của bài toán để quyết định chọn số PC làm cơ sở cho không gian mới của tập số liệu (n): f = V(:,1:n) - Chuyển đổi tập số liệu ban đầu và tính ma trận hệ số hồi qui: Aj = A*f F = inv(Aj'*Aj)*Aj'*C Fj=f*F - Nhập ma trận biến phụ thuộc của k mẫu cần định phân Ax(k*5) và tính nồng độ các dạng As trong mẫu theo công thức: Cx=Ax*Fj Các thao tác tính sai số và hiệu suất thu hồi sử dụng các câu lệnh tính toán thông thường trên ma trận trong phần mềm. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 28 - LuËn v¨n th¹c sÜ CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG As(III) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HVG – AAS 3.1.1. Khảo sát các thông số của máy đo AAS * Chọn vạch đo phổ: Mỗi nguyên tố có khả năng hấp thụ những bức xạ mà bản thân nó phát ra trong quá trình phát xạ. Vì vậy, những bức xạ này là yếu tố đặc trưng của mỗi nguyên tố. Các nguyên tố thường có vài vạch phổ với độ nhạy khác nhau, tuy nhiên, theo các tài liệu [27, 30, 32], vạch phổ ứng với bước sóng 193,7nm là vạch đặc trưng và nhạy của As. Vì vậy, chúng tôi định lượng As qua tín hiệu của vạch phổ này. * Cường độ dòng đèn catot rỗng (HCL): HCL là nguồn phát xạ cộng hưởng chỉ phát ra tia phát xạ nhạy của nguyên tố kim loại được dùng làm catot. Mỗi đèn đều có dòng điện giới hạn cực đại của nó. Lí thuyết và thực nghiệm đều khuyến cáo chỉ nên sử dụng cường độ dòng trong khoảng 60 – 85% dòng giới hạn cực đại của đèn để đảm bảo độ lặp lại và độ nhạy của phép đo cũng như tuổi thọ của đèn. Mặt khác, cường độ dòng làm việc của HCL và cường độ vạch phổ có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Vì vậy, chúng tôi đã khảo sát tìm cường độ dòng đèn làm việc phù hợp sao cho có thể đạt được độ nhạy và độ ổn định tốt nhất. Các thí nghiệm được tiến hành với dung dịch As(III) 4ppb, mỗi mẫu đo ba lần rồi lấy kết quả trung bình. Kết quả độ hấp thụ quang thu được sau khi trừ tín hiệu mẫu trắng thu được ở bảng 2. Bảng 2. Ảnh hưởng của cường độ dòng HCL đến độ hấp thụ quang của As (Imax=10mA) I, mA 6 7 8 Abs 0,1307 0,1278 0,1252 RSD(%) 6,08 2,47 2,02 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 29 - LuËn v¨n th¹c sÜ Kết quả trên cho thấy chọn cường độ dòng làm việc của đèn là 7mA sẽ cho kết quả đo có độ nhạy và độ lặp lại tốt. Kết quả khảo sát cũng phù hợp với hướng dẫn sử dụng của đèn này. Vì vậy, chọn cường độ dòng làm việc của đèn HCL là 7mA cho các thí nghiệm sau. * Chiều cao đèn nguyên tử hóa mẫu: Đây là một thông số quan trọng trong phép đo AAS. Chiều cao đèn nguyên tử hóa mẫu phải phù hợp sao cho toàn bộ chùm tia sáng phát ra từ đèn HCL đều được chiếu gọn vào cửa sổ của cuvet đo. Nếu không chọn đúng chiều cao đèn phù hợp, giá trị đo sẽ có độ nhạy và độ ổn định kém. Để khảo sát ảnh hưởng của chiều cao đèn nguyên tử hóa đến độ hấp thụ quang của dung dịch As(III), đặt chế độ quét tự động cho máy với khoảng khảo sát chiều cao đèn là 12 – 20mm, dung dịch đo có hàm lượng As(III) là 4ppb. Kết quả khảo sát cho thấy giá trị tối ưu của chiều cao đèn nguyên tử hóa mẫu là 16mm và giá trị này được sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo. * Thành phần hỗn hợp khí cháy C2H2/không khí: Với phép đo AAS, đây là một đại lượng rất quan trọng. Thành phần của hỗn hợp khí cháy sẽ quyết định nhiệt độ ngọn lửa nguyên tử hóa và do đó quyết định quá trình nguyên tử hóa mẫu. Vì vậy, để chọn được thành phần hỗn hợp khí cháy (tỉ lệ thể tích của C2H2 và không khí trong hỗn hợp khí cháy) phù hợp, chúng tôi đã khảo sát với dung dịch đo chứa 4ppb As(III), tốc độ dòng không khí cố định là 8L/phút, tốc độ dòng khí C2H2 thay đổi trong khoảng 1 – 2,4(L/phút), đặt chế độ tự động khảo sát cho máy. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tốc độ dòng khí C2H2 là 1,8L/phút sẽ thu được giá trị độ hấp thụ quang tốt nhất, tín hiệu đo ổn định nhất. 3.1.2. Khảo sát điều kiện khử As(III) thành asin với hệ HVG Quá trình khử As(III) thành asin bằng chất khử NaBH4 trong môi trường axit chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, trong đó các yếu tố cơ bản là: • Nồng độ axit, loại axit và tốc độ bơm dòng dung dịch axit • Nồng độ và tốc độ của dòng dung dịch chất khử NaBH4 • Tốc độ dòng mẫu NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 30 - LuËn v¨n th¹c sÜ Nồng độ các chất và tốc độ bơm các dòng dung dịch sẽ quyết định quá trình pha loãng mẫu, quá trình trộn mẫu, phản ứng và vận chuyển mẫu tới cuvet đo. Vì vậy, chúng tôi lần lượt khảo sát từng yếu tố trên nhằm tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình khử As(III) thành asin trong hệ HVG sử dụng chất khử là NaBH4. 3.1.2.1. Nồng độ và bản chất của dung dịch axit Đối với dòng axit, chúng tôi chỉ khảo sát ảnh hưởng của nồng độ và bản chất axit sử dụng, không khảo sát tốc độ dòng này do dòng axit và dòng NaBH4 có cùng tốc độ bơm nên chỉ khảo sát tốc độ dòng khi nghiên cứu điều kiện tối ưu cho dòng NaBH4. * Ảnh hưởng của nồng độ axit (nồng độ H+) tới quá trình khử As(III) thành asin: Để xác định được nồng độ H+ tối ưu cho quá trình phân tích, chúng tôi tiến hành thí nghiệm với các điều kiện sau: - Dòng mẫu: As(III) 4ppb, tốc độ dòng 5ml/phút - Dòng chất khử NaBH4 chứa NaBH4 1% trong NaOH 0,5%, tốc độ dòng 2ml/phút - Dòng axit: sử dụng HCl có nồng độ biến thiên trong khoảng 1M – 10M, có cùng tốc độ với dòng chất khử. Các dung dịch được đo 3 lần để lấy kết quả độ hấp thụ trung bình; dung dich so sánh là mẫu trắng. Kết quả khảo sát độ hấp thụ quang và độ lệch chuẩn tín hiệu đo thu được như trong bảng 3 và biểu diễn trên đồ thị hình 5. Bảng 3. Ảnh hưởng của nồng độ H+ tới độ hấp thụ quang của As CH+, M 1 4 5 6 8 10 Abs 0,1089 0,1225 0,1263 0,1275 0,1294 0,1311 RSD(%) 4,12 2,57 3,40 2,15 2,24 3,51 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 31 - LuËn v¨n th¹c sÜ 0 2 4 6 8 10 0,105 0,110 0,115 0,120 0,125 0,130 0,135 Abs CH+, M Hình 5. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của As vào nồng độ H+ Kết quả khảo sát cho thấy, nồng độ H+ càng lớn thì hiệu suất khử càng cao, quá trình khử As(III) thành asin xảy ra càng hoàn toàn. Khi tiếp tục tăng nồng độ H+ trên 5M thì độ hấp thụ quang tăng chậm. Có thể nói, nồng độ H+ càng cao thì càng có khả năng tăng độ nhạy của phép đo, tuy nhiên nồng độ quá cao sẽ gây khó khăn cho quá trình tiến hành thí nghiệm và tốn nhiều hóa chất mà độ nhạy tăng không đáng kể. Kết hợp giữa các yêu cầu thí nghiệm, chúng tôi lựa chọn dung dịch có nồng độ H+ 6M để tiến hành hidrua hóa As(III). * Ảnh hưởng của loại axit tới quá trình khử As(III) thành asin: Tiến hành khảo sát với một số axit khác nhau để chọn axit thích hợp nhất cho quá trình xác định As(III), chúng tôi vẫn sử dụng dung dịch mẫu có chứa 4ppb As(III), các điều kiện đo như đã chọn. Kết quả nghiên cứu trên 4 loại axit thu được ở bảng 4. Như vậy, nếu xem hiệu suất hiđrua hóa khi dùng dung dịch HCl là 100 % thì khi dùng H2SO4 với nồng độ H+ gần như nhau sẽ đạt được hiệu suất khử là 98%. Nếu dùng dung dịch HNO3 làm môi trường với cùng nồng độ H+ cho kết quả thấp hơn hẳn. Điều này có thể do ion NO3- đã phản ứng với một lượng NaBH4 trong hỗn hợp khử nên không còn đủ để khử As(III) thành asin, gây sai số âm. Chúng tôi cũng đã tiến hành khảo sát khả năng khử As(III) thành asin NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 32 - LuËn v¨n th¹c sÜ trong các môi trường phản ứng có nồng độ CH3COOH từ 5M lên tới 10M nhưng hiệu suất khử vẫn dưới 60%. Như vậy chỉ có thể dùng dung dịch axit HCl 6M hoặc H2SO4 3M làm môi trường phản ứng cho quá trình khử As(III) thành asin bằng chất khử NaBH4. Tuy nhiên, thực tế các mẫu nước phân tích thường được axit hóa bằng HCl thay vì dùng H2SO4 nên chúng tôi lựa chọn axit HCl 6M làm môi trường khử trong phép đo As. Bảng 4. Ảnh hưởng của bản chất axit đến độ hấp thụ quang của dung dịch As(III) Dung dịch HCl 6M H2SO4 3M ([H+] = 6M) HNO3 6M H3PO4 6M ([H+] ≅ 6M) Abs 0,1281 0,1257 0,0713 0,1071 RSD(%) 1,14 2,37 4,05 1,22 %Abs 100 98 56 84 3.1.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ, tốc độ bơm NaBH4 và tốc độ bơm mẫu đến khả năng khử As(III) thành asin 3.1.2.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4 tới khả năng khử As(III) thành asin Trong môi trường thích hợp, NaBH4 đóng vai trò là chất khử đưa các dạng As từ những trạng thái oxi hóa cao về dạng asin hay các dẫn xuất metylasin tương ứng [32]. Vì vậy, nồng độ NaBH4 trong dòng chất khử là một yếu tố ảnh hưởng không nhỏ tới kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch. Để tìm nồng độ thích hợp cho quá trình khử As(III) thành asin bằng chất khử NaBH4, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất này trong khoảng giá trị 0,1 – 4% lên kết quả đo tín hiệu dung dịch As(III) 4ppb, các điều kiện đo giữ nguyên như đã chọn ở trên, tốc độ dòng NaBH4 và dòng mẫu lần lượt là 2ml/phút và 5ml/phút. Kết quả đo được trình bày trong bảng 5 và biểu diễn trên đồ thị hình 6. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 33 - LuËn v¨n th¹c sÜ Bảng 5. Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4 tới độ hấp thụ quang của dung dịch As(III) Kết quả đo Nồng độ NaBH4, % (trong NaOH 0,5%) 0,1 0,25 0,5 1 2 4 Abs 0,0861 0,1126 0,1268 0,1274 0,1277 0,1250 RSD% 4,2 5,5 2,8 3,5 4,9 7,2 0 1 2 3 4 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 0,13 Abs CNaBH4, % trong NaOH 0,5% Hình 6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của dung dịch As(III) theo nồng độ NaBH4 3.1.2.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ dòng NaBH4 tới khả năng khử As(III) thành asin Như đã đề cập ở trên, tốc độ bơm các dòng cũng có những ảnh hưởng phức tạp tới kết quả đo tín hiệu dung dịch. Dòng chất khử NaBH4 và dòng axit có cùng tốc độ nên ảnh hưởng của tốc độ dòng này tới kết quả đo rất đáng được quan tâm. Để xác định tốc độ tối ưu cho dòng này bằng phương pháp đơn biến, chúng tôi đã khảo sát khả năng khử dung dịch As(III) 4ppb thành asin trong các NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 34 - LuËn v¨n th¹c sÜ dòng NaBH4 1% pha trong NaOH 0,5% có tốc độ biến thiên trong khoảng 1 – 3,5ml/phút, tốc độ dòng mẫu cố định 5ml/phút. Kết quả đo được cho trong bảng 6 và biểu diễn trên đồ thị hình 7. Bảng 6. Ảnh hưởng của tốc độ dòng NaBH4 tới độ hấp thụ quang của dung dịch As(III) Kết quả đo Tốc độ dòng NaBH4, ml/phút 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Abs 0,1121 0,1254 0,1268 0,1271 0,1262 0,1241 RSD% 1,5 4,4 3,9 2,2 5,7 3,1 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 0,112 0,116 0,120 0,124 0,128 Abs Tèc ®é dßng NaBH 4 , ml/phót Hình 7. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của dung dịch As(III) theo tốc độ dòng NaBH4 Nhận thấy, trong khoảng giá trị tốc độ dòng NaBH4 từ 2 – 2,5ml/phút, tín hiệu đo As ổn định và cao, khi tăng tốc độ lên cao hơn thấy có hiện tượng giảm nhẹ tín hiệu đo nhưng không đáng kể. Căn cứ vào kết quả này, có thể kết luận rằng với tốc độ dòng NaBH4 khoảng 2 – 2,5ml/phút sẽ cho kết quả đo As(III) tốt và tiết kiệm được hóa chất. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 35 - LuËn v¨n th¹c sÜ 3.1.2.1.3. Ảnh hưởng của tốc độ dòng mẫu tới kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch Tốc độ dòng mẫu cũng có vai trò quan trọng đối với kết quả đo vì đây là dòng cung cấp chất phản ứng. Để khảo sát chọn tốc độ dòng mẫu tối ưu cho quá trình đo, chúng tôi đã tiến hành xác định ảnh hưởng của yếu tố này trong khoảng 3 – 8ml/phút lên kết quả đo dung dịch As(III) 4ppb trong dòng NaBH4 1% (trong NaOH 0,5%) có tốc độ bơm 2ml/phút. Kết quả được đưa ra ở bảng 7 và biểu diễn trên đồ thị hình 8. Bảng 7. Ảnh hưởng của tốc độ dòng mẫu tới kết quả đo tín hiệu dung dịch As(III) Kết quả đo Tốc độ dòng mẫu, ml/phút 3 4 5 6 7 8 Abs 0,1102 0,1211 0,1264 0,1271 0,1277 0,1258 RSD% 4,7 5,1 1,2 4,6 4,2 6,5 3 4 5 6 7 8 0,108 0,112 0,116 0,120 0,124 0,128 Abs Tèc ®é dßng mÉu, ml/phót Hình 8. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của dung dịch As(III) theo tốc độ dòng As(III) NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 36 - LuËn v¨n th¹c sÜ Với kết quả khảo sát trên có thể nhận thấy rằng, tăng cao tốc độ dòng mẫu hơn 7ml/phút sẽ làm giảm nhẹ tín hiệu do hiện tượng pha loãng dòng và gây tốn mẫu, tốc độ nhỏ hơn sẽ cho tín hiệu thấp hơn và thời gian đo kéo dài hơn gây tốn các hóa chất đo khác. Vì vậy, tốc độ dẫn mẫu nên giữ cố định trong khoảng 5,5 – 6,5ml/phút trong quá trình đo sẽ cho kết quả đo có độ nhạy cao nhất. 3.1.2.1.4. Sử dụng mô hình bậc 2 tâm xoay khảo sát đồng thời ảnh hưởng của nồng độ, tốc độ dòng NaBH4 và tốc độ dòng mẫu tới tín hiệu đo của dung dịch As(III) Về mặt lí thuyết, chúng tôi nhận thấy có mối quan hệ qua lại chặt chẽ giữa nồng độ NaBH4, tốc độ bơm NaBH4 và tốc độ bơm mẫu đến quá trình hiđrua hóa nên đã tiến hành tìm điều kiện tối ưu bằng cách khảo sát đồng thời ảnh hưởng của 3 đại lượng này, sử dụng mô hình thực nghiệm bậc hai tâm xoay 3 yếu tố. Trên cơ sở các khảo sát đơn biến đã thực hiện, chúng tôi xác định khoảng khảo sát các yếu tố này như trong bảng 8. Bảng 8. Khoảng biến thiên của các yếu tố cần khảo sát Yếu tố Ký hiệu Mức thấp Mức cao Khoảng biến thiên (λ) Tốc độ bơm NaBH4 (ml/phút) v1 1,5 3,5 2 Tốc độ bơm mẫu(ml/phút) v2 3,0 10,0 7 Nồng độ NaBH4 (%) / NaOH 0,5% C 0,2 2 1,8 Khi đó mối quan hệ giữa tín hiệu phân tích và các yếu tố cần khảo sát được đặc trưng bằng phương trình bậc hai như sau: Y=b0 + b1v1 + b2v2+ b3C + b1,1v12 + b2,2v22 + b3,3C2 + b1,2v1v2 +b1,3v1C+ +b2,3v2C + b1,2,3v1v2C Trong đó b0 đặc trưng cho phần tín hiệu nhiễu của mô hình, các hệ số bi, bi,j và bi,i là hệ số đặc trưng cho chiều hướng và mức độ ảnh hưởng bậc một, bậc hai của các yếu tố đến tín hiệu phân tích. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 37 - LuËn v¨n th¹c sÜ Sử dụng phần mềm MINITAB để thiết lập bảng qui hoạch thực nghiệm với các điều kiện như trên và tiến hành các thí nghiệm theo bảng này. Kết quả độ hấp thụ quang thu được khi tiến hành thay đổi đồng thời các yếu tố ở bảng 9. Bảng 9. Thứ tự và kết quả thí nghiệm tiến hành theo mô hình bậc hai tâm xoay STT Thứ tự thực nghiệm v1 v2 C Abs 1 1 1,5 3,0 0,2 0,0812 6 2 3,5 3,0 2,0 0,0877 8 3 3,5 10,0 2,0 0,0998 9 4 1,0 6,5 1,1 0,1105 18 5 2,5 6,5 1,1 0,1277 3 6 1,5 10,0 0,2 0,0514 16 7 2,5 6,5 1,1 0,1259 4 8 3,5 10,0 0,2 0,0952 15 9 2,5 6,5 1,1 0,1272 2 10 3,5 3,0 0,2 0,0784 14 11 2,5 6,5 2,6 0,1251 20 12 2,5 6,5 1,1 0,1269 17 13 2,5 6,5 1,1 0,1271 11 14 2,5 2,5 1,1 0,0822 12 15 2,5 12,0 1,1 0,0986 7 16 1,5 10,0 2,0 0,1104 10 17 4,0 6,5 1,1 0,1022 19 18 2,5 6,5 1,1 0,1259 13 19 2,5 6,5 0,2 0,0952 5 20 1,5 3,0 2,0 0,1102 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 38 - LuËn v¨n th¹c sÜ Xử lý số liệu trên phần mềm MINITAB với các dữ liệu thực nghiệm thu được ở trên cho kết quả như ở bảng 10. Bảng 10. Bảng hệ số hồi qui của phương trình hồi qui Hệ số Giá trị Sai số giá trị chuẩn t Trị số P b0 -0,0132 0,0267 -0,496 0,631 b1 0,0403 0,0154 2,612 0,026 b2 0,0130 0,0042 3,082 0,012 b3 0,0611 0,0142 4,309 0,002 b1,1 -0,0086 0,0027 -3,153 0,010 b2,2 -0,0014 0,0002 -5,671 0,000 b3,3 -0,0119 0,0036 -3,261 0,009 b1b2 0,0021 0,0009 2,380 0,039 b1b3 -0,0103 0,0034 -3,015 0,013 b2b3 0,0010 0,0010 1,029 0,328 Độ lệch chuẩn S = 0,0087, hệ số tương quan R = 91,2%, R2 = 83,3% Từ bảng 10, nhận thấy giá trị hồi qui với độ tin cậy 95% thì ảnh hưởng của nhiễu nền và ảnh hưởng tương hỗ của tốc độ bơm mẫu với nồng độ NaBH4 (v2*C) là không đáng kể (do trị số P>0,05), nên có thể bỏ qua trong quá trình tính toán. Bằng cách tính lại hệ số hồi qui sau khi loại bỏ yếu tố ảnh hưởng không có nghĩa ta thu được bảng hệ số hồi qui 11 và bảng phân tích phương sai 12. Giá trị R2 = 0,832 từ bảng hệ số hồi qui 11 cho thấy mô hình tìm được phản ánh tương đối đúng thực nghiệm, có thể sử dụng mô hình này để tìm điều kiện tối ưu theo phương pháp đạo hàm hoặc phương pháp đường dốc nhất. Cũng có thể kiểm tra kết luận này thông qua bảng sai số giữa kết quả thực nghiệm với kết quả tính giá trị A từ mô hình (bảng 13). NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 39 - LuËn v¨n th¹c sÜ Bảng 11. Bảng hệ số hồi qui của A sau khi loại bỏ yếu tố không có nghĩa Số hạng Hệ số Sai số T Trị số P b0 -0,02039 0,02581 -0,790 0,446 b1 0,04029 0,01547 2,605 0,024 b2 0,01412 0,00409 3,448 0,005 b3 0,06761 0,01271 5,318 0,000 b1,1 -0,00858 0,00273 -3,144 0,009 b2,2 -0,00140 0,00025 -5,656 0,000 b3,3 -0,01189 0,00365 -3,252 0,008 b1b2 0,00209 0,00088 2,374 0,037 b1b3 -0,01029 0,00342 -3,007 0,012 S = 0,0087 R = 90,3% R2 = 83,2% Bảng 12. Bảng phân tích phương sai của A sau khi loại bỏ yếu tố không có nghĩa Nguồn sai số DF Seq SS Adj SS Adj MS F P Phương trình hồi qui 8 0,00773 0,00773 0,000967 12,73 0,000 Bậc 1 3 0,00182 0,00347 0,001156 15,23 0,000 Bậc 2 3 0,00479 0,00479 0,001598 21,04 0,000 Nội tương tác 2 0,00111 0,00111 0,000557 7,34 0,009 Sai số tuyệt đối 5 0,000003 0,000003 0,000001 Tổng 19 0,00857 Trong đó, Seq SS là giá trị tổng bình phương tích lũy, Adj SS là giá trị tổng bình phương phù hợp, Adj MS là giá trị trung bình bình phương phù hợp. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 40 - LuËn v¨n th¹c sÜ Bảng 13. Sai số giữa kết quả thực nghiệm với kết quả tính giá trị A từ mô hình TN TT chuẩn Abs Abstính Sai số tính Độ lệch Sai số 1 1 0,081 0,070 0,007 0,011 2,18* 2 6 0,088 0,083 0,007 0,005 0,89 3 8 0,100 0,106 0,007 -0,006 -1,00 4 9 0,111 0,106 0,007 0,004 0,76 5 18 0,128 0,125 0,003 0,003 0,34 6 3 0,051 0,063 0,007 -0,012 -2,22 * 7 16 0,126 0,125 0,003 0,001 0,11 8 4 0,095 0,096 0,007 -0,001 -0,10 9 15 0,127 0,125 0,003 0,002 0,27 10 2 0,078 0,073 0,007 0,005 1,03 11 14 0,125 0,122 0,007 0,003 0,72 12 20 0,127 0,125 0,003 0,002 0,24 13 17 0,127 0,125 0,003 0,002 0,26 14 11 0,082 0,098 0,005 -0,016 -2,29 * 15 12 0,099 0,089 0,007 0,010 1,90 16 7 0,110 0,110 0,007 0,000 0,04 17 10 0,102 0,105 0,007 -0,003 -0,52 18 19 0,126 0,125 0,003 0,001 0,11 19 13 0,095 0,101 0,005 -0,006 -0,83 20 5 0,110 0,117 0,007 -0,007 -1,19 Như vậy, bằng phương pháp qui hoạch hóa thực nghiệm mô hình bậc hai tâm xoay đã tìm được mô hình mô tả giá trị tín hiệu phân tích (độ hấp thụ quang Abs) phụ thuộc các yếu tố như sau: NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 41 - LuËn v¨n th¹c sÜ A= -0,0204 + 0,0403vNaBH4 +0,0141vmẫu + 0,0676CNaBH4 – 0,0086v2NaBH4 – 0,0014v2mẫu – 0,0119C2 + 0,0021vNaBH4*vmẫu – 0,0103vNaBH4*CNaBH4 Các yếu tố gây ảnh hưởng dương (làm tăng tín hiệu phân tích) bao gồm ảnh hưởng bậc nhất của các yếu tố và ảnh hưởng tương hỗ của tốc độ bơm các dòng. Các ảnh hưởng còn lại đều có xu hướng làm giảm giá trị hàm mục tiêu. Trong đó, tăng nồng độ và tốc độ bơm NaBH4 làm tăng nhanh tín hiệu phân tích hơn so với tăng tốc độ bơm mẫu. Nếu cố định giá trị tốc độ bơm mẫu là giá trị ở mức gốc để biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu phân tích vào hai yếu tố có ảnh hưởng nhiều nhất là nồng độ và tốc độ bơm NaBH4 trong không gian ba chiều sẽ thu được đồ thị hình 9. Hình 10 là các đường đồng mức biểu thị độ hấp thụ quang phụ thuộc vào nồng độ và tốc độ bơm NaBH4. 2 A 0.08 0.10 0.12 C 0.14 11 2 3 04v1 Hold Values v2 6.5 Surface Plot of Abs vs C, v1 Hình 9. Đồ thị biểu diễn mặt mục tiêu Abs theo giá trị của nồng độ NaBH4 và tốc độ bơm NaBH4 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 42 - LuËn v¨n th¹c sÜ v1 v2 4.03.53.02.52.01.51.0 4.03.53.02.52.01.51.0 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 Hold Values C 1.1 A 0.072 - 0.084 0.084 - 0.096 0.096 - 0.108 0.108 - 0.120 > 0.120 < 0.060 0.060 - 0.072 Contour Plot of Abs vs v2, v1 Hình 10. Các đường đồng mức biểu diễn giá trị Abs theo tốc độ bơm mẫu và tốc độ bơm NaBH4 Vì ảnh hưởng của các yếu tốc có nhiều hướng trái ngược nhau nên cần tìm điều kiện tối ưu nhất của các yếu tố sao cho tín hiệu phân tích nhạy nhất. Mô hình thiết lập được ở trên phù hợp với thực nghiệm nên có thể sử dụng mô hình này để xác định điều kiện tối ưu cho phép đo As theo phương pháp mặt mục tiêu (bằng cách đạo hàm và tìm cực trị). Kết quả tối ưu hóa theo mô hình thu được là: • Tốc độ bơm NaBH4: 2-2,5phút • Tốc độ bơm mẫu: 6-7ml/phút • Nồng độ dung dịch NaBH4: ≈1% Kết quả này tương đối phù hợp với kết quả khảo sát đơn biến đã tiến hành ở trên. Dựa vào các kết quả khảo sát này, chúng tôi đã chọn các điều kiện về tốc độ và nồng độ các dòng cho quá trình khử As(III) thành asin như sau: ∗ Tốc độ dòng mẫu: 6ml/phút ∗ Tốc độ dòng NaBH4 và dòng axit: 2ml/phút ∗ Nồng độ dòng NaBH4(trong NaOH 0,5%): 1% NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 43 - LuËn v¨n th¹c sÜ ∗ Nồng độ dòng axit HCl: 6M Chúng tôi sử dụng những điều kiện khử này để tiến hành các phép đo xác định riêng các dạng As, chỉ thay đổi nồng độ và bản chất dòng axit trong các phép đo xác định đồng thời sau đó. 3.1.3. Khảo sát khoảng tuyến tính và lập đường chuẩn xác định As(III) Chuẩn bị các dung dịch chuẩn As(III) có nồng độ biến thiên trong khoảng 0,2 – 18ppb, các điều kiện đo giữ như đã chọn. Giá trị độ hấp thụ quang của các dung dịch chuẩn sau khi trừ tín hiệu mẫu trắng thu được ở bảng 14 và biểu diễn trên đồ thị hình 11. Đồ thị 11 cho thấy, khoảng tuyến tính của As(III) là từ 0,2 – 10ppb. Trong khoảng tuyến tính này, kết quả xây dựng đường chuẩn thu được ở hình 12 và phương trình đường chuẩn xác định nồng độ As(III) (ppm) có dạng: Abs = (0,00153 ± 0,00116) + (0,0319 ± 0,00023)CAs(III) Bảng 14. Độ hấp thụ quang của các dung dịch As(III) CAs(III), ppb 0 0,2 0,5 1 2 3 4 Ā 0 0,0072 0,0171 0,0334 0,0655 0,0952 0,1281 CAs(III), ppb 5 7 8 10 12 15 18 Ābs 0,162 0,2341 0,2571 0,315 0,3542 0,3841 0,4102 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 0 , 0 0 , 1 0 , 2 0 , 3 0 , 4 0 , 5 A b s C A s ( I I I ) , p p b Hình 11. Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ As(III) NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 44 - LuËn v¨n th¹c sÜ 0 2 4 6 8 10 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 §−êng chuÈn x¸c ®Þnh As(III): Y = A + B * X Th«ng sè Gi¸ trÞ Sai sè t-Value Prob>|t| --------------------------------------------------------------------------- A 0,00153 0,00201 0,760 0,4699 B 0,03193 0,00039 82,406 <0,0001 --------------------------------------------------------------------------- R R2 --------------------------------------------------------------------------- 0,9994 0,9988 Abs CAs(III), ppb Hình 12. Đường chuẩn xác định As(III) Nhận thấy, hằng số tự do của phương trình hồi qui có giá trị Ptính>0,05 nên có thể kết luận rằng: Với độ tin cậy 95%, giá trị hằng số tự do của phương trình khác 0 không có nghĩa nên có thể bỏ qua bên cạnh giá trị hệ số còn lại, điều đó cũng có nghĩa phương pháp xác định riêng As(III) qua phương trình này không mắc sai số hệ thống. Để có kết luận chính xác về khoảng tuyến tính, chúng tôi tiến hành đo lặp lại tín hiệu của 8 mẫu trắng với các điều kiện như trên. Kết quả đo tín hiệu các mẫu trắng như sau: 0,0017; 0,0021; 0,0023; 0,0011; 0,0018; 0,0025; 0,0014; 0,0015. Sau khi tính toán LOD, LOQ của phép đo theo công thức 3σ và 10σ chúng tôi thu được kết quả: ∗ Giới hạn phát hiện: LOD = B Sb.3 = 0,04(ppb) ∗ Giới hạn định lượng: LOQ = B Sb.10 = 0,15(ppb) Trong đó: Sb là độ lệch chuẩn của phép đo lặp tín hiệu 8 mẫu trắng B là hệ số góc của phương trình hồi qui NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 45 - LuËn v¨n th¹c sÜ Tóm tắt kết quả: Sau khi khảo sát các điều kiện tối ưu để xác định As(III) bằng phương pháp HVG - AAS, chúng tôi đã lựa chọn được điều kiện cho phép đo As(III) như sau: Bảng 15. Tóm tắt các điều kiện tối ưu xác định As(III) bằng phương pháp HVG-AAS Yếu tố Khoảng khảo sát Giá trị lựa chọn Yếu tố Khoảng khảo sát Giá trị lựa chọn Vạch phổ 193,7nm Môi trường khử HCl 1M - HCl 10M HCl6M Cường độ dòng đèn 6 - 8mA 7mA Nồng độ chất khử NaBH4 0,2 - 2% 1% Chiều cao đèn nguyên tử hóa 12 - 20mm 16mm Tốc độ dòng NaBH4 1,5- 3,5ml/phút 2ml/phút Tốc độ dòng khí C2H2 1- 2,4L/phút 1,8L/phút Tốc độ dòng mẫu 3-10ml/phút 6ml/phút Tốc độ dòng không khí 8L/phút Khoảng tuyến tính 0,2-18ppb 0,2-10ppb 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của các ion lạ tới phép xác định As(III) bằng phương pháp HVG – AAS Đối với phương pháp AAS xác định một nguyên tố bất kì, các ion lạ trong dung dịch mẫu gây ảnh hưởng tới kết quả đo định lượng nguyên tố đó theo nhiều cách khác nhau. Riêng đối với các phương pháp HVG – AAS, quá trình hidrua hoá As thành asin vừa là phương pháp làm giàu chất và cũng là phương pháp loại trừ ảnh hưởng của nhiều ion lạ trong dung dịch. Sau khi tham khảo một số tài liệu nghiên cứu về vấn đề này, chúng tôi nhận thấy có một số ion vẫn gây ảnh hưởng nhất định tới phép xác định As theo phương pháp này chủ yếu do khả năng cũng bị hiđrua hóa. Vì vậy, sau khi khảo sát sơ bộ, chúng tôi đã lựa chọn nghiên cứu ảnh hưởng của một số ion tiêu biểu và nghiên cứu khả năng loại trừ ảnh hưởng của chúng đến phép đo này. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 46 - LuËn v¨n th¹c sÜ 3.1.4.1. Ảnh hưởng của một số ion kim loại thường gặp tới quá trình xác định asen Các ion thường gặp có khả năng gây ảnh hưởng lớn tới quá trình xác định As như Cu2+, Pb2+, Cr3+, Ni2+, Mn2+, Fe3+ sẽ được khảo sát trong mục này. Các chất được khảo sát ở những khoảng nồng độ khác nhau và dựa vào sai số giữa kết quả đo có ion lạ và không có ion lạ khi đo dung dịch As(III) 4ppb để làm cơ sở kết luận ngưỡng ảnh hưởng của các ion này. Kết quả khảo sát được chỉ ra trong bảng 16. Bảng 16. Ảnh hưởng của các cation tới kết quả đo As(III) Ion, ppm Aion lạ Aion lạ + As(III) Sai số (%) Ion, ppm Aion Aion+ As(III) Sai số (%) As(III) 4 ppb Abs = 0,1281 Cu2+ 1 0,0014 0,1272 -1 Ni2+ 5 0,0027 0,1262 -2 4 0,0021 0,1248 -4 10 0,0023 0,1251 -3 10 0,0019 0,1105 -14 50 0,0016 0,1201 -6 20 0,0025 0,1002 -22 100 0,0035 0,1117 -13 Pb2+ 5 0,0032 0,1194 -7 Mn2+ 5 0,0015 0,1252 -3 7 0,0017 0,1168 -9 10 0,0017 0,1271 -1 10 0,0022 0,1067 -12 50 0,0031 0,1246 -3 20 0,0012 0,1053 -18 100 0,0037 0,1242 -3 Cr3+ 5 0,0031 0,1261 -2 Fe3+ 5 0,0052 0,1239 -4 10 0,0025 0,1220 -5 10 0,0036 0,1211 -6 50 0,0012 0,1104 -14 50 0,0029 0,1112 -13 100 0,0019 0,1027 -20 100 0,0012 0,1027 -20 Hg2+ (ppb) 10 0,0032 0,1257 -2 Fe2+ 5 0,0026 0,1219 -5 50 0,0025 0,1167 -9 10 0,0032 0,1169 -9 100 0,0037 0,1115 -13 50 0,0013 0,1092 -15 200 0,0014 0,1066 -17 100 0,0041 0,1021 -15 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 47 - LuËn v¨n th¹c sÜ Các ion kim loại khảo sát ở trên đều làm giảm tín hiệu phân tích khi có mặt trong dung dịch. Với phép xác định các nguyên tố ở mức nồng độ ppb, nếu sai số cho phép là 10-15% thì ngưỡng ảnh hưởng của hầu hết các ion kim loại (trừ Hg) tới kết quả đo As(III) đều khá lớn (giá trị in đậm trong bảng 16) so với hàm lượng thường gặp trong các mẫu nước. Mn2+ không gây ảnh hưởng ở hàm lượng 100ppm nên được coi là không ảnh hưởng tới kết quả đo. Tuy nhiên đối với một số đối tượng thực tế vẫn có thể gặp trường hợp có các ion này ở hàm lượng lớn. Vì vậy chúng tôi tiếp tục nghiên cứu khả năng loại trừ ảnh hưởng của các ion này bằng dung dịch L-cystein pha trong HCl 0,1M. Kết quả khảo sát khả năng loại trừ ảnh hưởng của các cation này bằng L-cystein ở các nồng độ khác nhau được trình bày trong bảng 17. Bảng 17. Khảo sát khả năng sử dụng L-cystein làm chất loại ảnh hưởng của cation (AAs(III) = 0,1275) Ion CL-cystein, % 0,1 0,25 0,5 1 5 10 Cu(II) 50ppm 0,1235 0,1241 0,1246 0,1248 0,1242 0,1240 Pb(II) 50ppm 0,1224 0,1238 0,1237 0,1242 0,1245 0,1241 Cr(II) 100ppm 0,1234 0,1258 0,1252 0,1253 0,1248 0,1235 Ni(II) 100ppm 0,1228 0,1238 0,1231 0,1234 0,1242 0,1245 Fe(II) 100ppm 0,1228 0,1227 0,1232 0,1237 0,1224 0,1229 Fe(III) 100ppm 0,1225 0,1231 0,1237 0,1230 0,1235 0,1221 Hg(II) 200ppb 0,1211 0,1225 0,1228 0,1225 0,1210 0,1212 Tất cả các ion trên 0,1201 0,1223 0,1227 0,1230 0,1224 0,1221 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 48 - LuËn v¨n th¹c sÜ Như vậy, khi có mặt L-cystein 0,25% thì sai số phép đo As(III) khi có mặt tất cả các ion ở nồng độ cao hơn ngưỡng ảnh hưởng đã dưới 10%. Do đó có thể nói dùng L- cystein 0,25-0,5% đã loại được ảnh hưởng của các cation đến kết quả đo As(III) bằng phương pháp HVG-AAS. 3.1.4.2. Ảnh hưởng của một số ion có khả năng hidrua hoá và một số hợp chất hữu cơ thường gặp trong dung dịch Các nghiên cứu trước đây đều chỉ ra rằng: các nguyên tố phân nhóm V gây ảnh hưởng đáng kể tới kết quả đo As bằng phương pháp HVG-AAS [32, 39]. Trong luận văn này, chúng tôi khảo sát lại ảnh hưởng của các nguyên tố này cùng với một số anion hữu cơ để làm cơ sở cho việc lựa chọn hệ đệm trong các nghiên cứu tiếp theo. Kết quả khảo sát được chỉ ra trong bảng 18. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các ion S2-, Se(IV), Bi(III) và Sb(III) khi ở nồng độ thấp đã có ảnh hưởng rõ rệt tới kết quả đo As(III) là do các ion này có khả năng tạo hợp chất hidrua khi tương tác với chất khử NaBH4 trong môi trường axit, các hợp chất này sẽ có những tương tác khác nhau tới quá trình nguyên tử hóa của AsH3 hoặc quá trình hấp thụ ánh sáng của nguyên tử As. Tuy nhiên, theo nghiên cứu trước đây của chúng tôi [39], ảnh hưởng của các ion như Se(IV), Bi(III) và S2- có thể bị loại bỏ bằng bông tẩm dung dịch Pb(CH3COO)2 đặt trên đường dẫn khí tới bình phản ứng hoặc cuvet trước khi nguyên tử hoá. Do không được phép sửa chữa trực tiếp làm thay đổi kết cấu của thiết bị đo, chúng tôi không thể thử nghiệm lắp đặt bộ phận loại trừ này vào máy. Vì vậy, chưa có kết quả nghiên cứu loại trừ những ảnh hưởng này trong phạm vi nghiên cứu của luận văn. Riêng đối với Sb(III), trong những công trình nghiên cứu mà chúng tôi được biết, chưa có biện pháp nào loại trừ được hoàn toàn ảnh hưởng của ion này tới kết quả đo As bằng phương pháp AAS. Chúng tôi đã nghiên cứu thử nghiệm khả năng loại trừ ảnh hưởng của Sb(III) bằng cách cho tạo phức với tactrat để hạn chế khả năng tham gia các phản ứng khác của Sb(III). Kết quả nghiên cứu được đưa ra trong bảng 19. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 49 - LuËn v¨n th¹c sÜ Bảng 18. Ảnh hưởng của một số ion có khả năng hidrua hoá và một số hợp chất hữu cơ thường gặp trong dung dịch tới kết quả đo As(III) (AAs=0,1275) Ion Aion Aion+As Sai số,% Ion Aion Aion+As Sai số,% S2-, ppm 0,5 0,0018 0,1291 +0,5 NO3-, ppm 10 0,0022 0,1245 -3 1 0,0025 0,1181 +2 20 0,0015 0,1149 -11 5 0,0057 0,1445 +13 50 0,0017 0,1108 -14 10 0,0078 0,1682 +31 100 0,0021 0,1042 -19 Se(IV), ppb 5 0,0012 0,1243 -3 NO2-, ppm 5 0,0023 0,1251 -3 10 0,0032 0,1181 -8 10 0,0038 0,1201 -6 50 0,0025 0,1127 -12 20 0,0029 0,1125 -14 100 0,0028 0,0708 -45 50 0,0034 0,1058 -18 Bi(III), ppb 5 0,0024 0,1301 +1 SO32-, ppm 10 0,0027 0,1278 0 10 0,0029 0,1325 +3 20 0,0035 0,1352 +5 50 0,0035 0,1412 +10 50 0,0045 0,1427 +11 100 0,0026 0,1658 +29 100 0,0081 0,1465 +14 Sb(III), ppb 1 0,0018 0,1259 -2 Citrat, (M) 0,1 0,0012 0,1277 0 5 0,0026 0,1117 -13 0,5 0,0014 0,1289 0 10 0,0015 0,0976 -24 1 0,0024 0,1268 -1 20 0,0017 0,0783 -39 2 0,0025 0,1258 -2 Tactrat, M 0,1 0,0025 0,1277 -1 Axetat (M) 0,1 0,0031 0,1255 -2 0,5 0,0011 0,1258 -2 0,5 0,0028 0,1261 -2 1 0,0013 0,1261 -2 1 0,0016 0,1242 -3 2 0,0032 0,1282 0 2 0,0036 0,1238 -4 SO42-, ppm 10 0,0018 0,1258 -2 PO43-, ppm 10 0,0040 0,1255 -2 50 0,0014 0,1261 -1 50 0,0035 0,1266 -1 100 0,0026 0,1284 0 100 0,0015 0,1281 0 500 0,0032 0,1277 -1 1000 0,0021 0,1295 +1 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 50 - LuËn v¨n th¹c sÜ Bảng 19. Khả năng loại trừ ảnh hưởng của Sb(III) bằng tactrat (AAs(III) = 0,1277) CSb(III), ppb Ctactrat, M 0,01 0,05 0,1 0,5 10 0,1125 0,1131 0,1135 0,1134 50 0,1112 0,1138 0,1141 0,1136 100 0,1145 0,1128 0,1130 0,1149 H% trung bình 88% Khi tiếp tục tăng nồng độ tactrat lên 2M, chúng tôi nhận thấy vẫn không có sự thay đổi có nghĩa trong hiệu suất thu được As. Như vậy, tuy không thể loại trừ hoàn toàn ảnh hưởng của Sb(III) nhưng với việc sử dụng tactrat 0,5 M tạo phức với Sb(III) ta có thể hạn chế được ảnh hưởng này xuống mức sai số cho phép của phép đo. Tóm tắt kết quả: Sau khi nghiên cứu ảnh hưởng của một số ion trong dung dịch tới kết quả phép đo As(III) trên hệ HVG-AAS, ngưỡng ảnh hưởng và chiều hướng ảnh hưởng của các ion lạ được tóm tắt ở bảng 20. Bảng 20. Ảnh hưởng của các ion lạ tới phép đo As(III) STT Ion Ngưỡng ảnh hưởng Chiều hướng ảnh hưởng STT Ion Ngưỡng ảnh hưởng Chiều hướng ảnh hưởng 1 Mn2+ Không ảnh hưởng 12 SO42- Không ảnh hưởng 2 Cu2+ 10ppm Âm 13 NO3- 50ppm Âm 3 Pb2+ 10ppm Âm 14 NO2- 20ppm Âm 4 Cr3+ 50ppm Âm 15 PO43- Không ảnh hưởng 5 Ni2+ 100ppm Âm 16 Sb(III) 5ppb Âm 6 Fe2+ 50ppm Âm 17 Se(IV) 50ppb Âm 7 Fe3+ 50ppm Âm 18 Bi(III) 50ppb Dương 8 Hg2+ 100ppb Âm 19 axetat Không ảnh hưởng 9 S2- 5ppm Dương 20 Citrat Không ảnh hưởng 10 SO32- 50ppm Dương 21 tactrat Không ảnh hưởng NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 51 - LuËn v¨n th¹c sÜ 3.2. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT KHỬ ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHỬ CÁC DẠNG As THÀNH ASIN Một số công trình nghiên cứu trước đây đã khảo sát nhiều hệ khử As(III) thành asin và kết luận là hệ khử NaBH4/HCl cho kết quả tốt hơn cả [32, 39]. Các nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng quá trình khử trực tiếp As(V) thành asin không thể đạt được hiệu suất 100% so với quá trình khử As(III) và cần thiết phải có quá trình khử sơ bộ ban đầu để chuyển các dạng As khác nhau thành As(III) bằng các chất khử như KI, KI/ascobic, KI/Sn2+, KI/Sn2+/ascobic, K2S2O5/H+, Na2S2O4/H+, …[32]. Kết quả thực nghiệm khi khảo sát hiệu suất khử các dạng khác nhau của As thu được ở bảng 21. Hiệu suất được tính dựa trên sự chênh lệch độ hấp thụ quang so với dung dịch As(III). Bảng 21. Hiệu suất khử các dạng As trong môi trường HCl 6M Dạng asen Nồng độ (ppb) Abs Hiệu suất khử (%) As(III) 5 0,1625 100 As(V) 5 0,0414 25 DMA 5 0,0532 30 MMA 5 0,1204 70 Như vậy, để xác định tổng hàm lượng As cần thực hiện quá trình khử các dạng As(V) thành As(III) trước khi tiến hành hidrua hóa. 3.2.1. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của KI Với dung dịch KI 0,1% - 5%, tiến hành khảo sát khả năng khử các dạng As(V) và so sánh hiệu suất khử (H%) các dạng bằng cách so sánh kết quả so với As(III) có cùng nồng độ và không có KI. Thời gian khử sơ bộ bằng KI là 30 phút trước khi tiến hành phân tích theo phương pháp HVG- AAS. Kết quả thu được ở bảng 22. Nhận thấy dung dịch KI tuy có nồng độ khá lớn so với các dạng As trong dung dịch nhưng hiệu suất khử các dạng As(V) vẫn thấp, đặc biệt đối với dạng NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 52 - LuËn v¨n th¹c sÜ DMA do hợp chất này khá bền. Vì vậy, để xác định tổng hàm lượng As không thể sử dụng dung dịch KI làm chất khử các dạng As(V) về As(III) trước khi hidrua hóa. 3.2.2. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của hệ khử KI/Ascobic Ở đây chúng tôi sử dụng các dung dịch KI có nồng độ từ 0,1% - 5% pha trong dung dịch axit ascobic 5% để khảo sát khả năng khử của hệ này, thời gian phản ứng vẫn giữ 30 phút trước khi phân tích bằng thiết bị HVG-AAS. Kết quả thu được ở bảng 23. Bảng 22. Khả năng khử các dạng As(V) của KI Nồng độ chất, ppb CKI, % 0,1% 0,5% 1% 2% 5% Ā H% Ā H% Ā H% Ā H% Ā H% As(III) 1 0,0332 107 0,0327 105 0,0335 107 0,0317 103 0,0339 107 4 0,1285 105 0,1284 105 0,1274 104 0,1267 104 0,1287 105 10 0,3241 100 0,3192 100 0,3195 100 0,3235 101 0,3248 102 As(V) 2 0,0259 38 0,0357 55 0,0429 65 0,0499 75 0,0568 84 10 0,1289 40 0,1795 55 0,2117 65 0,2481 77 0,2892 85 15 0,1929 40 0,2682 55 0,3151 64 0,3749 77 0,4322 82 MMA 1 0,0236 70 0,0244 72 0,0256 75 0,0252 75 0,0272 80 4 0,0895 70 0,0929 74 0,0958 77 0,0954 76 0,1031 82 10 0,2272 70 0,2339 72 0,2405 74 0,2438 75 0,2604 80 DMA 1 0,0101 30 0,0118 35 0,0138 40 0,0138 40 0,0141 40 4 0,0413 32 0,0464 36 0,0517 40 0,0533 42 0,0519 40 10 0,1012 30 0,1135 35 0,1392 43 0,1327 41 0,1362 42 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 53 - LuËn v¨n th¹c sÜ Bảng 23. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của hệ KI/Ascobic Nồng độ chất,ppb CKI/axit ascobic 5% 0,1% 0,5% 1% 2% 5% Ā H% Ā H% Ā H% Ā H% Ā H% As(III) 1 0,0325 101 0,0314 98 0,0329 103 0,0338 106 0,0339 106 4 0,1281 105 0,1255 102 0,1271 104 0,1262 103 0,1277 105 10 0,3248 102 0,3204 100 0,3221 101 0,3209 100 0,3197 100 As(V) 2 0,0324 50 0,0454 70 0,0552 85 0,0550 85 0,0561 87 10 0,1685 52 0,2269 70 0,2722 84 0,2691 83 0,2754 85 15 0,2431 50 0,3500 72 0,4133 85 0,4121 85 0,4228 87 MMA 1 0,0238 70 0,0272 80 0,0271 80 0,0278 82 0,0270 80 4 0,0899 70 0,1040 80 0,1065 83 0,1029 80 0,1027 80 10 0,2205 68 0,2591 80 0,2531 78 0,2626 81 0,2659 82 DMA 1 0,0103 30 0,0137 40 0,0135 40 0,0138 40 0,0136 40 4 0,0417 32 0,0534 41 0,0522 40 0,0548 42 0,0538 41 10 0,1015 30 0,1288 38 0,1455 43 0,1459 43 0,1452 43 Như vậy, hiệu suất khử đã tăng rõ rệt ở hai dạng MMA và As(V) vô cơ (đạt tới 85% khi sử dụng dung dịch KI 1%), nhưng hiệu suất khử dạng DMA vẫn khá thấp (40%). Như vậy với hệ khử này chỉ có thể xác định tổng hàm lượng As vô cơ khi không có mặt các dạng hữu cơ trong mẫu chứ không thể xác định chính xác tổng hàm lượng As vô cơ nếu không tiến hành vô cơ hóa mẫu. NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 54 - LuËn v¨n th¹c sÜ 3.2.3. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của NaHSO3 Tương tự như trên, chúng tôi khảo sát khả năng khử của chất khử NaHSO3 trên các dạng As(V) trong vùng nồng độ NaHSO3 từ 0,01 – 1%. Dung dịch trước khi đo bằng phương pháp HVG-AAS cần đuổi hết NaHSO3 bằng cách đun sôi kĩ dung dịch trong 15 phút. Kết quả khảo sát được đưa ra trong bảng 24. Bảng 24. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của NaHSO3 Nồng độ chất, ppb CNaHSO3, % 0,01 0,05 0,1 0,5 1 Ā H% Ā H% Ā H% Ā H% Ā H% As(III) 1 0,0332 104 0,0314 98 0,0321 101 0,0317 99 0,0332 104 4 0,1277 104 0,1261 103 0,1254 102 0,1272 104 0,1281 105 10 0,3244 102 0,3231 101 0,3209 100 0,3198 100 0,3224 101 As(V) 2 0,0259 80 0,0292 90 0,0290 90 0,0298 92 0,0292 90 10 0,1031 81 0,1127 88 0,1153 90 0,1168 91 0,1179 92 15 0,2529 78 0,2945 91 0,2985 92 0,2981 92 0,2920 90 MMA 1 0,0227 70 0,0245 75 0,0258 80 0,0262 81 0,0259 80 4 0,0899 70 0,0945 74 0,1024 80 0,1049 82 0,1051 82 10 0,2333 72 0,2399 74 0,2625 81 0,2641 81 0,2575 80 DMA 1 0,0130 40 0,0133 41 0,0148 45 0,0145 45 0,0143 44 4 0,0513 40 0,0511 40 0,0560 44 0,0563 44 0,0549 43 10 0,1233 38 0,1361 42 0,1455 45 0,1427 44 0,1450 45 Kết quả cho thấy, NaHSO3 khử As(V) thành As(III) tốt hơn KI/axit ascobic. Hiệu suất khử hai dạng MMA và As(V) vô cơ (đạt tới 80-90%), nhưng NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 55 - LuËn v¨n th¹c sÜ hiệu suất khử dạng DMA vẫn khá thấp (≈45%). Như vậy với hệ khử này cũng chỉ có thể xác định tổng hàm lượng asen vô cơ khi không có mặt các dạng hữu cơ trong mẫu chứ không thể xác định chính xác tổng hàm lượng asen vô cơ nếu không tiến hành vô cơ hóa mẫu. 3.2.4. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của L-cystein L-cystein là tác nhân loại trừ ảnh hưởng của các ion kim loại rất hiệu quả. Nếu có thể sử dụng L-cystein làm chất khử trước các dạng As(V) về As(III) thì tác nhân này hoàn toàn có thể sử dụng trong thực tế phân tích mẫu. Tiến hành thí nghiệm với nồng độ L-cystein thay đổi từ 0,05 – 5%. Các kết quả khảo sát trong bảng 25 cũng cho cùng kết luận như với các chất khảo đã khảo sát ở trên. Bảng 25. Khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) của L-cystein Hợp chất,ppb CL-cystein, % 0,05 0,1 0,5 1 5 Ā H% Ā H% Ā H% Ā H% Ā H% As(III) 1 0,0330 103 0,0317 99 0,0321 101 0,0335 105 0,0327 103 4 0,1279 104 0,1252 102 0,1261 103 0,1231 100 0,1280 105 10 0,3242 102 0,3211 101 0,3192 100 0,3258 102 0,3301 103 As(V) 1 0,0227 70 0,0292 90 0,0296 91 0,0291 90 0,0292 90 4 0,0922 72 0,1165 91 0,1178 92 0,1175 92 0,1163 90 10 0,2268 70 0,2916 90 0,2948 91 0,2921 90 0,2940 90 MMA 1 0,0229 70 0,0237 73 0,0253 78 0,0259 80 0,0262 81 4 0,1253 70 0,0946 74 0,1023 80 0,1030 80 0,1048 82 10 0,3201 71 0,2398 74 0,2592 80 0,2624 81 0,2599 80 DMA 1 0,0113 35 0,0133 41 0,0146 45 0,0143 44 0,0145 45 4 0,0454 35 0,0537 42 0,0577 45 0,0575 45 0,0589 46 10 0,1104 34 0,1367 42 0,1455 45 0,1462 45 0,1466 45 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 56 - LuËn v¨n th¹c sÜ Các kết quả khảo sát khả năng khử các dạng As(V) thành As(III) bằng chất khử L-cystein cũng cho kết luận tương tự như đối với chất khử NaHSO3 đã khảo sát ở trên: Dung dịch L-cystein nồng độ 0,5 – 5% sẽ cho hiệu suất khử dạng As(V) vô cơ thành As(III) đạt xấp xỉ 100% nhưng sử dụng chất khử này cũng không cho phép xác định được tổng hàm lượng As trong mẫu do các quá trình đo dạng As(V) hữu cơ chỉ cho hiệu suất thấp. Nhận xét chung: Sử dụng các chất khử là L-cystein 1%, NaHSO3 0,5% hay hệ KI 1%/ascobic 5% đều cho kết quả tốt khi khử dạng As(V) vô cơ về As(III). Với cả 3 hệ khử này, chúng tôi nhận thấy chỉ có thể xác định tổng hàm lượng As vô cơ một cách chính xác khi không có mặt các dạng hữu cơ trong mẫu, nghĩa là muốn xác định chính xác tổng hàm lượng As phải tiến hành vô cơ hóa mẫu hoặc tách loại các dạng hữu cơ và xác định tổng hàm lượng As vô cơ. Kết quả khảo sát trên cho thấy không thể tiến hành phân tích chính xác hàm lượng As vô cơ khi có mặt các dạng hữu cơ nếu không qua giai đoạn tách loại nhưng đồng thời cũng mở ra khả năng xác định đồng thời chúng theo phương pháp HVG- AAS dựa trên hiệu suất khử các dạng này nếu sử dụng các thuật toán hồi qui đa biến tuyến tính. 3.3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG PHẢN ỨNG ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHỬ CÁC DẠNG As THÀNH ASIN BẰNG CHẤT KHỬ NaBH4 Như đã đề cập ở trên, nếu hiệu suất khử các dạng As trong các môi trường phản ứng khác nhau là khác nhau thì các dữ kiện này có thể sử dụng để nghiên cứu khả năng xác định đồng thời các dạng As trong cùng một mẫu bằng cách sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu nghịch đảo. Dựa trên một số yếu tố như độ ổn định của tín hiệu đo ở các môi trường, khả năng loại trừ ảnh hưởng của nguyên tố Sb bằng hệ đệm tactrat và đặc biệt là sự khác nhau rõ rệt của tín hiệu đo ở các môi trường khác nhau của các dạng As khi khảo sát sơ bộ để lựa chọn điểm đo thích hợp, chúng tôi đã chọn 5 môi trường là HCl 6M, HCl 1M, đệm axit tactric – tactrat có pH = 2, 3, 4 làm các điểm thực nghiệm để xác định hiệụ suất khử các dạng As này. Các kết quả điều kiện khác về thông số máy, nồng độ NaBH4, tốc độ dòng được giữ nguyên ở điều kiện tối ưu đã khảo sát. Kết quả NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 57 - LuËn v¨n th¹c sÜ nghiên cứu khả năng khử các dạng As trong 5 môi trường này thu được ở bảng 26 và tóm tắt ở bảng 27. Bảng 26. Kết quả khảo sát khả năng khử các dạng As trong các môi trường khác nhau Hợp chất Nồng độ,ppb HCl 6M HCl 1M Đệm pH=2 Đệm pH=3 Đệm pH=4 A H% A H% A H% A H% A H% As(III) 1 0,0325 101,9 0,0278 87,1 0,0234 73,4 0,0172 53,9 0,0104 32,6 0,0316 99,1 0,0268 84,0 0,0225 70,5 0,0177 55,5 0,0112 35,1 0,0331 103,8 0,0274 85,9 0,0235 73,7 0,0169 53,0 0,0098 30,7 0,0310 97,2 0,0265 83,1 0,0229 71,8 0,0165 51,7 0,0095 29,8 0,0328 102,8 0,0281 88,1 0,0221 69,3 0,0171 53,6 0,0108 33,9 3 0,0952 99,5 0,0834 87,1 0,0702 73,4 0,0516 53,9 0,0312 32,6 0,0975 101,9 0,0825 86,2 0,0714 74,6 0,0509 53,2 0,0302 31,6 0,0958 100,1 0,0827 86,4 0,0691 72,2 0,0512 53,5 0,0324 33,9 0,0949 99,2 0,0838 87,6 0,0689 72,0 0,0525 54,9 0,0317 33,1 0,0942 98,4 0,0819 85,6 0,0705 73,7 0,0517 54,0 0,0322 33,6 5 0,1625 101,9 0,1391 87,2 0,1174 73,6 0,0864 54,2 0,0524 32,9 0,1612 101,1 0,1379 86,5 0,1158 72,6 0,0857 53,7 0,0535 33,5 0,1637 102,6 0,1378 86,4 0,1172 73,5 0,0881 55,2 0,0518 32,5 0,1611 101,0 0,1412 88,5 0,1161 72,8 0,0851 53,4 0,0511 32,0 0,1608 100,8 0,1386 86,9 0,1152 72,2 0,0866 54,3 0,0527 33,0 As(V) 2 0,0175 27,4 0,0112 17,6 0,0084 13,2 0,0068 10,7 0,0036 5,6 0,0171 26,8 0,0105 16,5 0,0081 12,7 0,0061 9,6 0,0031 4,9 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 58 - LuËn v¨n th¹c sÜ 0,0168 26,3 0,0108 16,9 0,0075 11,8 0,0059 9,2 0,0042 6,6 0,0179 28,1 0,0115 18,0 0,0072 11,3 0,0064 10,0 0,0034 5,3 0,0164 25,7 0,0103 16,1 0,0088 13,8 0,0066 10,3 0,0028 4,4 6 0,0514 26,9 0,0332 17,3 0,0267 13,9 0,0181 9,5 0,0112 5,9 0,0504 26,3 0,0328 17,1 0,0249 13,0 0,0175 9,1 0,0105 5,5 0,0519 27,1 0,0319 16,7 0,0251 13,1 0,0184 9,6 0,0117 6,1 0,0521 27,2 0,0335 17,5 0,0247 12,9 0,0184 9,6 0,0114 6,0 0,0492 25,7 0,0314 16,4 0,0242 12,6 0,0192 10,0 0,0102 5,3 12 0,0826 25,9 0,0552 17,3 0,0441 13,8 0,0291 9,1 0,0182 5,7 0,0821 25,7 0,0548 17,2 0,0426 13,4 0,0285 8,9 0,0186 5,8 0,0835 26,2 0,0559 17,5 0,0433 13,6 0,0299 9,4 0,0175 5,5 0,0838 26,3 0,0535 16,8 0,0419 13,1 0,0312 9,8 0,0171 5,4 0,0817 25,6 0,0531 16,6 0,0411 12,9 0,0324 10,2 0,0168 5,3 DMA 1 0,0105 32,9 0,0245 76,8 0,0361 113,2 0,0275 86,2 0,0175 54,9 0,0114 35,7 0,0228 71,5 0,0348 109,1 0,0258 80,9 0,0161 50,5 0,0101 31,7 0,0231 72,4 0,0355 111,3 0,0262 82,1 0,0174 54,5 0,0095 29,8 0,0241 75,5 0,0337 105,6 0,0281 88,1 0,0171 53,6 0,0112 35,1 0,0226 70,8 0,0358 112,2 0,0277 86,8 0,0166 52,0 3 0,0301 31,5 0,0725 75,8 0,1145 119,6 0,0812 84,8 0,0511 53,4 0,0309 32,3 0,0721 75,3 0,1101 115,0 0,0802 83,8 0,0508 53,1 0,0295 30,8 0,0711 74,3 0,1112 116,2 0,0786 82,1 0,0489 51,1 0,0311 32,5 0,0734 76,7 0,1085 113,4 0,0821 85,8 0,0524 54,8 NguyÔn ThÞ Thu H»ng CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Khoa Hãa häc – Tr−êng §HKHTN - 59 - LuËn v¨n th¹c sÜ 0,0299 31,2 0,0716 74,8 0,1071 111,9 0,0844 88,2 0,0529 55,3 5 0,0522 32,7 0,1221 76,6 0,1902 119,2 0,1357 85,1 0,0825 51,7 0,0534 33,5 0,1245 78,1 0,1878 117,7 0,1377 86,3 0,0861 54,0 0,0515 32,3 0,1218 76,4 0,1859 116,6 0,1362 85,4 0,0843 52,9 0,0524 32,9 0,1225 76,8 0,1872 117,4 0,1335 83,7 0,0881 55,2 0,0506 31