Nghiên cứu xác định tổng arsen vô cơ và tổng arsen hữu cơ trong thủy hải sản bằng phương pháp icp kết hợp với kỹ thuật tạo hydride

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tóm tắt lịch sử của nguyên tố Arsen [20] Nguyên tố Arsen được học giả kiêm nhà giả kim người Đức Albertus Magnus (1193-1280) phát hiện đầu tiên. Một số dạng hóa học khác của Arsen cũng bắt đầu được phát hiện khi nền hóa học tách khỏi thuật giả kim vào giữa thế kỷ 18. Arsen có lẽ là nguyên tố lập kỷ lục có mối liên hệ tệ nhất với con người do nó được dùng như một chất độc khi con người bắt đầu quan tâm đến hóa học. Lý do arsen được dùng phổ biến do tính sẵn có, rẻ tiền, không màu, không mùi. Đến cuối thế kỷ 19, arsen không còn được dùng làm độc dược nhiều nữa do sự phát triển của phương pháp xác định Arsen có độ nhạy và độ tin cậy cao do Marsh thực hiện năm 1836. 1.2 Tính chất của Arsen [20] Arsen tồn tại ở nhiều dạng vô cơ và hữu cơ khác nhau. Những dạng quan trọng nhất để đánh giá sức khỏe của con người được trình bày ở bảng 1.1. Arsen là nguyên tố có mặt khắp nơi, có tính chất á kim. Hóa học của arsen phức tạp và có nhiều hợp chất khác nhau của arsen hữu cơ và arsen vô cơ. Trong tự nhiên, nó tồn tại ở một số dạng khoáng, chủ yếu là dạng arsenide của đồng, kẽm, nickel, sắt, hay ở dạng arsenic sulfide hay oxide. Trong nước, arsen thường tồn tại ở dạng arsenite hay arsenate. Các hợp chất arsen bị methyl hóa xuất hiện tự nhiên trong môi trường là kết quả của các hoạt động sinh học. Hợp chất phổ biến nhất, arsenic (III) oxide, là sản phẩm phụ trong quá trình nóng chảy quặng đồng hay quặng chì. 1.2.1 Hợp chất arsen vô cơ Hợp chất phổ biến nhất là arsenic (III) oxide, công thức phân tử chung là As4O6, chịu được nhiệt độ đến 1073 0C, là sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất đồng. Arsen trong arsenide kim loại hay arsenic sulfide bị bay hơi và oxy hóa trong quá trình đốt nóng quặng và ngưng tụ ở dạng trioxide. Than chứa arsen khi đốt nóng cũng sinh ra oxide arsen (III). Oxide arsen có điểm sôi thấp (465 0C) và thăng hoa ở nhiệt độ thấp hơn. Áp suất hơi khí quyển ở nhiệt độ thường khá lớn là một đặc điểm quan trọng ảnh hưởng đến sự phân bố và di chuyển của arsen trong môi trường. Khả năng hòa tan của As2O3 khá chậm, khoảng 2 % ở 25 0C và 8.2 % ở 98 0C, dung dịch có tính acid nhẹ và chứa acid arsenous (H3AsO3). As2O3 dễ hòa tan trong acid HCl hay dung dịch kiềm. Ở dạng dung dịch, arsen thường ở dạng arsenate hay arsenite. Arsen vô cơ hóa trị 5 bao gồm As2O5, acid arsenic và hợp chất arsenate như chì arsenate, calcium arsenate. Sodium arsenite và sodium arsenate rất dễ tan trong nước. Trạng thái chuyển đổi hóa trị có thể xảy ra trong dung dịch nước, tùy thuộc vào độ pH và sự có mặt của các chất khác mà arsen có thể bị oxy hóa hay khử. Kim loại kiềm thổ kết hợp với anion arsenate tạo thành dạng muối ít tan, do đó arsen có khuynh hướng tạo thành kết tủa khi kết hợp với phosphate. 1.2.2 Hợp chất arsen hữu cơ Hóa học về arsen hữu cơ rất phong phú và đa dạng. Liên kết C-As khá ổn định ở điều kiện pH và trạng thái oxy hóa của môi trường. Một số hợp chất methylarsenic như dimethylarsine, trimethylarsine là kết quả của những hoạt động sinh học. Trong nước, các chất này bị oxy hóa thành các acid methylarsenic tương ứng. Những hợp chất arsen hữu cơ khác như arsenobetaine, arsenocholine, thường tìm thấy trong hải sản có khả năng chịu được suy biến hóa học. Acid methylarsonic là acid hai chức, tạo thành muối dễ tan với kim loại kiềm. Các acid alkylarsenic tham gia phản ứng khử tạo thành arsine tương ứng, một phản ứng quan trọng trong phân tích. Bảng 1.1 – Một số hợp chất arsen vô cơ và hữu cơ thông dụng Tên Viết tắt Công thức hóa học Arsenite (arsenous acid) AsIII As(OH)3 Arsenate (arsenic acid) AsV AsO(OH)3 Monomethylarsonic acid MMAV CH3AsO(OH)2 Monomethylarsonous acid MMAIII CH3As(OH)2 Dimethylarsinic acid DMAV (CH3)2AsO(OH) Dimethylarsinous acid DMAIII (CH3)2AsOH Dimethylarsinoyl ethanol DMAE (CH3)2AsOCH2CH2OH Trimethylarsine oxide TMAO (CH3)3AsO Tetramethylarsonium ion Me4As+ (CH3)4As+ Arsenobetaine AB (CH3)3As+CH2COO- Arsenobetaine 2 AB-2 (CH3)3As+CH2CH2COO- Arsenocholine AC (CH3)3As+CH2CH2OH Trimethylarsine TMAIII (CH3)3As Arsine AsH3, MeAsH2, Me2AsH (CH3)xAsH3-x (x=0-3) Ethylmethylarsine EtxAsMe3-x (CH3CH2)xAs(CH3)3-x (x=0-3) Phenylarsonic acid PAA C6H5AsO(OH)2 Hình 1.1 – Một số hợp chất arsen hữu cơ được phát hiện trong môi trường biển. Dạng in mờ có thể được phát hiện ở môi trường trên cạn 1.3 Các nguồn gốc gây ô nhiễm môi trường [20] 1.3.1 Công nghiệp Hai nền công nghiệp chủ yếu làm arsen bị nhiễm vào không khí, nước và đất là quá trình làm nóng chảy kim loại màu và sản xuất năng lượng từ nhiên liệu hình thành từ xác động vật bị phân hủy. Các nguồn gây nhiễm khác là sản xuất và tiêu thụ thuốc trừ sâu chứa arsen và chất bảo quản gỗ. Một nguyên nhân gây nhiễm arsen vào đất, tiếp theo là vào hệ thống nước ngầm, đó chính là phế phẩm từ công nghiệp khai thác mỏ kim loại. 1.3.2 Nông nghiệp Trước năm 1960, các arsen vô cơ như chì arsenate, canxi arsenate, đồng acetoarsenite được dùng rộng rãi trong nông nghiệp. Ngày nay, một số arsen hữu cơ (MMA, DMA) vẫn còn được sử dụng. 1.3.3 Quân sự Khí Lewisite (C2H2AsCl3) được dùng trong Chiến tranh thế giới thứ I, có tính sát thương cao do gây bỏng da rất khó chữa. Một số hợp chất arsen dùng để trấn áp đám đông do đặc tính gây kích ứng da và mắt. Acid dimethylarsinic, chất gây rụng lá được dùng trong chiến tranh Việt Nam. 1.3.4 Sản xuất và ứng dụng Arsen được sản xuất chủ yếu dựa vào quá trình thu hồi sản phẩm phụ khi làm nóng chảy quặng đồng, chì, coban và vàng. Arsen chủ yếu được dùng trong công nghiệp điện tử, luyện kim, trong nông nghiệp được dùng làm thuốc trừ sâu, thuốc gây rụng lá, chất bảo quản gỗ... Ngoài ra, arsen còn được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất thủy tinh, làm pháo hoa, ceramic, chất dệt nhuộm, sơn chống sét, dược phẩm. Trong lĩnh vực điện tử, gallium arsenide và indium arsenide được dùng làm tế bào năng lượng mặt trời, tế bào quang điện, chất bán dẫn, diode phát sáng. 1.4 Sự phân bố của arsen trong môi trường [25] Có 3 dạng biến đổi sinh học chủ yếu của arsen trong môi trường: - Quá trình oxy hóa giữa arsenite và arsenate - Quá trình khử và methyl hóa arsen - Quá trình tổng hợp sinh học của các dạng arsen hữu cơ. Arsen phân bố chủ yếu trong môi trường nước. Đối với nước bị oxy hóa, arsen tồn tại chủ yếu ở dạng arsenate, nhưng ở môi trường khử, ví dụ như trong nước giếng sâu, dạng arsenite chiếm ưu thế. Sự methyl hóa arsen vô cơ thành acid methylarsenic và acid dimethylarsenic liên quan đến các hoạt động sinh học trong môi trường nước. Một số loài sinh vật biển tham gia vào quá trình chuyển đổi arsen vô cơ thành hợp chất hữu cơ phức tạp như arsenobetaine, arsenocholine, arsoniumphospholipid. Trong môi trường đất bị oxy hóa, arsen vô cơ tồn tại ở dạng arsen (V), trong môi trường khử tồn tại dạng arsen (III). Có nhiều bằng chứng về sự methyl hóa sinh học trong đất và quá trình giải phóng methylarsine vào không khí. Hợp chất arsen methyl hóa cũng được phát hiện trong khí nhà kính. Tuy nhiên arsen dạng khí tồn tại chủ yếu ở dạng vô cơ. Hóa học của arsen vô cơ trong môi trường nước, đặc biệt là pH và oxygen rất phức tạp. Một đặc điểm quan trọng, ở điều kiện lượng khí CO2 cao, muối arsenate phân ly thành 4 acid arsenic [As(V)]: H3AsO4, H2AsO4-, HAsO42-, AsO43-. Tuy nhiên, trong môi trường khử nhẹ sẽ hình thành dạng acid arsenous [As (III)]: H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32-. Acid arsenic ít độc nhất trong các dạng arsen vô cơ, acid arsenous độc hơn và không được phép tồn tại trong cơ thể sống. Một số lớn các phản ứng sinh học và hóa học, như oxy hóa khử, hấp phụ, kết tủa, methyl hóa và hóa hơi tham gia tích cực vào chu kỳ hoạt động của nguyên tố này (Hình 1.2). Các phản ứng này kiểm soát sự có mặt của arsen trong môi trường. Do đó, arsen gây hại cho con người chỉ từ một số dạng arsen chứ không phải do tổng dạng arsen. Hình 1.2 – Chu trình của Arsen trong môi trường Các phản ứng hóa học và các quá trình vật lý trong đất – nước và cặn bùn – đá ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển, phân bố của arsen trong môi trường. Lượng oxy kiểm soát các phản ứng oxy hóa khử arsenate – arsenite. Sự hấp thu và kết tủa arsenate và arsenite ngăn chặn hoạt động của các arsen hòa tan. Sự giải phóng arsenic dần dần từ đá và bùn lắng hay sự hòa tan do quá trình oxy hóa của arsenopyrite (FeAsS) chuyển hóa arsen vào trong môi trường. Sự methyl hóa arsenite thành monomethylarsonic acid (MMA) hay dimethylarsinic acid (DMA) hình thành hợp chất arsen hữu cơ đóng góp vào những phản ứng sinh học chủ yếu trong chu trình arsen. 1.5 Nguồn gốc của arsen trong hải sản [13] Trong nước biển thường chứa arsen với hàm lượng khoảng 1 – 2 μg/L (WHO, 2001). Hàm lượng này gần như không đổi ở mực nước biển sâu, trong khi ở nước bề mặt hàm lượng này thay đổi theo mùa. Quá trình khử và methyl hóa bởi các vi sinh vật xảy ra ở vùng có nhiều ánh sáng, ở những tầng đại dương mà ánh sáng mặt trời có thể xuyên qua để thực hiện quá trình quang hợp. Hầu hết arsen vô cơ có trong cơ thể sinh vật biển không phải từ nước biển. Ngược lại, nguồn arsen này chủ yếu từ thức ăn, một quá trình tích lũy tương ứng với một chuỗi trao đổi chất xảy ra khi arsen tham gia vào trong chuỗi thức ăn. Chuỗi trao đổi chất bắt đầu từ những sinh vật phù du (rong rêu, tảo) hấp thu arsenate từ nước biển qua hệ thống màng trao đổi chất. Sau khi hấp thu, tảo nhanh chóng khử độc arsenate thông qua phản ứng khử và methyl hóa tạo thành dạng đường chứa arsen và một lượng nhỏ DMA cùng các hợp chất arsen khác. Lượng arsen trong tảo lớn hơn gấp 1000 đến 10 000 lần so với trong nước biển. Trong sinh vật biển, dạng arsen chủ yếu là arsenobetaine, hợp chất As(V) chứa 3 nhóm methyl. AB có khắp nơi trong môi trường biển, đặc biệt ở các loài hải sản mà con người dùng làm thực phẩm. Các nghiên cứu cho thấy sinh vật biển cấp cao hơn không tổng hợp arsenobetaine từ arsenate. Đó là do các loài tảo khi chết và bị phân hủy sẽ giải phóng arsenosugar vào môi trường nước và trầm tích, nhờ loài vi khuẩn sẽ chuyển hóa thành arsenobetaine, từ đó đi vào cơ thể sinh vật biển. Các thí nghiệm cũng cho thấy vi khuẩn trong nước biển có thể chuyển hóa MMA và DMA (trừ arsenate) thành AB. 1.6 Độc tính Độc tính của arsen thay đổi tùy thành phần và cấu trúc hóa học. Hầu hết các hợp chất arsen đều độc, nhưng độc tính thì khác nhau rất nhiều. Các dạng arsen chủ yếu được tìm thấy trong hải sản là: As(V), As(III), MMA, DMA, TMAO, TMA, AC, AB. Ngoài ra còn có arsenosugar và arsenolipid. Dạng arsenosugar chiếm số lượng lớn bao gồm glycerosulfonate, glycerosulfate, glycerol và glycerophosphate của dimethylarsinylriboside. Dạng arsen độc hại nhất trong thực phẩm là arsen vô cơ. Các dạng arsen hữu cơ khác có độ độc thấp hơn nhiều, một số trong đó gần như là không độc hại. As(III) tồn tại trong cơ thể sống ở dạng liên kết với nhóm –SH của các protein và các đại phân tử, làm ức chế các enzyme trao đổi chất gây ra ngộ độc cấp tính. Triệu chứng ngộ độ arsen không phụ thuộc vào dạng arsen vô cơ nào tồn tại, có lẽ là do kết quả của quá trình chuyển đổi qua lại giữa As(III) và As(V) bởi các phản ứng oxy hóa khử trong cơ thể sống. Do đó, việc phân biệt hai dạng arsen vô cơ là không cần thiết. Kết quả là, việc dự đoán mối nguy sức khỏe của con người từ việc dùng hải sản phụ thuộc vào lượng arsen vô cơ đã tiêu thụ qua thức ăn [24]. Arsen có thể gây ra các bệnh về tim mạch, da liễu, huyết học, gan, thận. Arsen cũng có thể gây ra ung thư bộ phận sinh dục, bộ phận tiết niệu, cơ quan hô hấp và da.[22] Liều độc gây chết LD50 (g/kg thể trọng) của một số dạng arsen trong môi trường được thể hiện ở bảng 1.2. Dạng trimethyl hầu như không độc. Arsenocholine và trimethylarsine oxide ít độc hơn As(III) 200 đến 300 lần. Arsenobetaine thường được tìm thấy trong hải sản và là dạng ít độc nhất, không thể xác định chính xác LD50 vì độc tính quá thấp (> 10 g kg-1). Độc tính của As(III) được chứng minh là do liên kết với nhóm thiol của các protein hoạt động sinh học làm ức chế enzyme trao đổi chất. Bảng 1.2 – Giá trị LD50 của 8 dạng arsen phổ biến [20] Sự có mặt của các dạng arsen trên là do quá trình methyl hóa sinh học arsen vô cơ. Sự methyl hóa có thể xảy ra trong đất, trầm tích, động vật và thực vật dưới nước hoặc trên cạn, gồm cả con người thông qua gián tiếp là những vi sinh vật. Sự methyl hóa sinh học arsen gồm các bước lặp lại của quá trình khử, methyl hóa và oxy hóa (Hình 1.3). Hình 1.3 – Quá trình khử và methyl hóa sinh học arsen vô cơ 1.7 Tổng quát về phương pháp phân tích các dạng arsen [20] 1.7.1 Phương pháp xác định tổng hàm lượng arsen Hầu hết các phương pháp xác định As đều phải chuyển mẫu từ dạng rắn sang dạng lỏng. Dạng lỏng chứa tất cả các dạng arsen trong đó. Để phá mẫu ta thường dùng 2 phương pháp sau: - Phương pháp vô cơ hóa mẫu khô: chất trợ nung là chất oxy hóa dạng vô cơ. - Phương pháp vô cơ hóa mẫu ướt: thuốc thử là HNO3. Trong vô cơ hóa mẫu ướt, phá mẫu bằng lò vi sóng gia nhiệt là một phương pháp khá hữu hiệu được dùng trong thời gian gần đây. Lợi ích của phương pháp này là nhanh chóng, giảm nguy cơ nhiễm bẩn hay mất mẫu, tiết kiệm thuốc thử phá mẫu. Phá mẫu bằng lò vi sóng có 2 dạng: dạng kín và dạng hở. Dạng kín thuận lợi hơn do ở áp suất cao có thể đạt được nhiệt độ cần thiết để phá mẫu với acid có điểm sôi thấp, ví dụ như acid nitric. ™ Kỹ thuật tạo hydride Hydride là quá trình tạo dẫn xuất hóa học sinh ra các chất hydride dễ bay hơi dựa trên phản ứng hóa học với một tác nhân khử, thường là sodium tetrahydroborate (NaBH4). NaBH4 trong môi trường acid trung bình là điều kiện chung để tạo hydride. NaBH4 phân hủy hoàn toàn tạo thành hydro khử chất phân tích về hydride: BH4 - + 3 H2O + H+ → H3BO3 + 8 H 6 H + AsO33- + 3 H+ → AsH3 ↑ + 3 H2O Kỹ thuật tạo hydride thường được dùng để xác định các nguyên tố có khả năng tạo hydride như As, Bi, Sb, Se và Sn. Dòng khí tách hydride ra khỏi nền mẫu đi vào hệ thống phát hiện làm cản nhiễu phổ và cản nhiễu hóa học cơ bản được loại trừ. Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình tạo hydride là nồng độ acid, sự tạo thành các dạng bay hơi khác, trạng thái oxy hóa của nguyên tố, nồng độ NaBH4. Acid arsenous, acid arsenic, MMA, DMA, TMAO bị khử trong môi trường acid bởi NaBH4 tạo thành arsine AsH3, CH3AsH2, (CH3)2AsH, (CH3)3As. Arsenosugar, các dạng arsen chính trong các loài thủy hải sản cũng tạo thành hydride. Arsenobetaine, arsenocholine, cation tetramethylarsonium không thể tạo thành hydride nếu không có các bước xử lý thêm. Các hệ có thể ghép cặp với kỹ thuật hydride là phổ hấp thu nguyên tử (AAS), phổ phát xạ nguyên tử (AES), phổ huỳnh quang nguyên tử (AFS), khối phổ plasma ghép cặp cảm ứng (ICP-MS), phổ phát xạ plasma ghép cặp cảm ứng (ICP-AES). Các phương pháp phổ nguyên tử có ưu điểm độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp. Tuy nhiên, kỹ thuật này lại có hạn chế như khoảng tuyến tính nhỏ, chỉ áp dụng được đối với nguyên tố có khả năng tạo hydride và không thể xác định đồng thời nhiều nguyên tố. Bảng 1.3 – Phương pháp xác định tổng arsen (theo National Research Council of Canada, 1999) [20] Phương pháp Giới hạn phát hiện Kỹ thuật tạo hydride Phổ huỳnh quang nguyên tử 20 ng/L Phổ hấp thu nguyên tử lò graphite 2 ng/L Phổ phát xạ ICP 20 ng/L ICP-MS 0.1 ng/L Phương pháp phổ Phổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa 1 mg/L Phổ hấp thu nguyên tử lò graphite 1 μg/L Phổ phát xạ ICP 10 μg/L ICP-MS 0.05 μg/L 1.7.2 Phương pháp xác định các dạng arsen Ngày nay, với sự phát triển các kỹ thuật kết hợp định tính và định lượng các dạng arsen, các hợp chất này được dùng để dự đoán độc tính của arsen trong mẫu. Hầu hết trường hợp cần phải tách trước khi xác định. Các phương pháp định tính và định lượng arsen được thể hiện ở hình 1.4. Hình 1.4 – Phương pháp định danh và định lượng các dạng arsen [20] 1.7.2.1 Phương pháp chiết các dạng arsen Quy trình chiết được thực hiện sao cho hợp chất arsen không bị phân hủy hay chuyển đổi hóa học. Các kỹ thuật hiện nay chưa thể tách hết tất cả các dạng arsen trong một bước, do đó cần thiết phải có sự kết hợp các phương pháp tách với nhau. Các dung môi chiết arsen phổ biến là methanol, hỗn hợp methanol/nước, acid phosphoric Dùng hỗn hợp methanol/ nước hay methanol làm dung dịch chiết có nhiều thuận lợi vì các dạng hợp chất khác ít bị chiết cùng methanol, dung môi dễ bay hơi khi làm giàu mẫu. Do đó, hiệu suất chiết có thể đạt được 90% khi chiết arsen trong sản phẩm thủy sản chứa nhiều arsenobetaine. Tuy nhiên, methanol không được dùng để chiết arsen vô cơ vì hiệu suất rất kém. Phương pháp chiết chủ yếu là lắc, siêu âm, chiết có kiểm soát áp suất. 1.7.2.2 Hệ sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) [36] HPLC là một phương pháp tách hữu hiệu chỉ cần một lượng mẫu nhỏ và có thể liên kết với các hệ thống phát hiện khác. Hai dạng sắc ký lỏng thường dùng để tách arsen là sắc ký ghép cặp ion và sắc ký trao đổi ion. ™ Sắc ký ghép cặp ion Sắc ký ghép cặp ion được dùng để phân tích arsen trung tính và arsen dạng ion. Cả hai kỹ thuật sắc ký ghép cặp anion và sắc ký ghép cặp cation đều được phát triển để tách rời các dạng arsen. Tetrabutylammonium (TBA, dạng hydroxide và phosphate) là cation ghép cặp phổ biến để tách As(III), As(V), MMA và DMA. Độ phân giải của những arsen này tùy thuộc vào nồng độ của cation ghép cặp, tốc độ dòng, pH của pha động. Khoảng pH tối ưu để tách bốn hợp chất arsen này là 5-7. Đối với sắc ký ghép cặp anion, tác nhân ghép cặp là tetraethylammonium hydroxide (TEAH) dùng để tách AB và arsenosugar. Phương pháp này được ứng dụng phân tích các dạng chuyển hóa của arsen trong nước tiểu sau khi dùng thực phẩm là các loài rong biển hay tảo biển và nghiên cứu các dạng arsen trong môi trường. ™ Sắc ký trao đổi ion Cả hai phương pháp sắc ký trao đổi cation và sắc ký trao đổi anion đều có thể dùng để phân tích các dạng arsen. Tùy thuộc vào đặc điểm ion của hợp chất arsen, sắc ký trao đổi anion dùng phân tích As(III), As(V), MMA, DMA, trong khi trao đổi cation dùng phân tích AB, AC, trimethylarsine oxide (TMAO) và Me4As+. 1.8 Kỹ thuật phổ phát xạ plasma ghép cặp cảm ứng (ICP) [1,5,9] 1.8.1 Giới thiệu Phương pháp phổ phát xạ plasma ghép cặp cảm ứng là một trong những phương pháp tối ưu để phân tích đa nguyên tố. Đây là một công cụ rất hữu hiệu cho phép phát hiện ở mức nồng độ thấp. Nguồn ICP sẽ tạo ra plasma, đó là một dòng khí có năng lượng ion hóa cao được hình thành từ sự ghép cặp cảm ứng của một khí trơ như argon với một từ trường tần số cao để tạo nên một plasma ổn định, có nhiệt độ cao (6000-10000 oK). Khi mẫu được đưa vào plasma ở nhiệt độ 10000 oK sẽ lần lượt bị de-solvate hóa, hóa hơi, nguyên tử hóa, kích thích và ion hóa. Các nguyên tử, ion bị kích thích sẽ phát ra bức xạ tại bước sóng đặc trưng. Bức xạ được thu nhận và chuyển thành tín hiệu điện tử. Một số thuận lợi khi dùng ICP-OES: - Giới hạn phát hiện thấp - Không có cản nhiễu hóa học - Ảnh hưởng tương tác giữa các nguyên tố cực thấp - Độ đúng và độ chính xác cao. ™ Các quá trình diễn ra trong plasma Sau quá trình phun sương, mẫu được đưa vào plasma ở dạng sol khí. Khi các sol khí di chuyển vào plasma, hàng loạt quá trình xảy ra. Các quá trình này được tóm tắt ở hình 1.5 Hình 1.5 – Sơ đồ các quá trình diễn ra trong plasma Đầu tiên, các hạt sol khí bị de-solvat hóa tạo thành các hạt muối rắn. Tiếp đó, các hạt này sẽ hóa hơi sinh ra dạng phân tử pha khí. Các phân tử này sẽ bị nguyên tử hóa rồi ion hóa. Nếu một nguyên tử phát ra bức xạ, theo định luật bảo toàn năng lượng, nguyên tử phải hấp thu năng lượng tương ứng từ nguồn cấp bên ngoài như plasma. Năng lượng chuyển hóa vào nguyên tử sẽ đưa electron lên trạng thái kích thích. Các quá trình kích thích chủ yếu của chất phân tích bao gồm: - Sự va chạm electron: e- + M → M* + e - - Sự kết hợp bức xạ của ion và electron: M+ + e → M* + hν Sự phát xạ sẽ xảy ra khi nguyên tử ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn và giải phóng một bức xạ photon. 1.8.2 Thiết bị ICP-OES là một kỹ thuật phân tích nguyên tố sử dụng phổ phát ra từ những nguyên tử hay ion tự do được tạo ra từ nguồn ICP. Sơ đồ hệ thống ICP-OES tiêu biểu được thể hiện ở hình 1.6. Hình 1.6 – Sơ đồ hệ thống ICP-OES 1.8.2.1 Hệ thống đưa mẫu ™ Bộ tạo sương Có nhiều cách để chuyển mẫu dạng lỏng thành dạng hơi; trong đó, hai cách phổ biến là dùng lực khí nén và lực cơ học siêu âm. Hầu hết các bộ tạo sương dùng trong hệ ICP là dạng khí nén, sử dụng dòng khí tốc độ cao tạo thành dạng phun sương. Bộ tạo sương dùng lực khí nén rất phổ biến trong kỹ thuật phổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa, và cũng là dạng đầu tiên dùng trong ICP-OES, đó là dạng đồng tâm (Hình 1.7). Hình 1.7 - Bộ tạo sương dạng đồng tâm dùng trong ICP-OES Ở dạng này, mẫu được đưa vào thông qua ống mao quản đến vùng áp suất thấp được tạo ra khi cho dòng khí thổi nhanh vào cuối ống mao quản. Áp suất thấp và dòng khí tốc độ cao sẽ phá vỡ dung dịch tạo thành dạng hơi sương. Hầu hết các bộ tạo sương dạng đồng tâm phổ biến (như Meinhard®) được làm từ thủy tinh, do đó rất dễ vỡ và có khả năng bị ăn mòn nếu dung dịch chứa acid HF. ™ Bơm Dòng chất lỏng vào bộ tạo sương được kiểm soát bằng bơm nhu động. Mục đích chính của bơm là cung cấp dòng chất lỏng vào bộ tạo sương và bơm dòng thải ra khỏi buồng phun sương. Các ống dây dùng trong bơm nhu động phải tương thích với dung dịch mẫu và phải được thường xuyên thay mới. ™ Buồng phun mẫu vào plasma Hạt sương mẫu sau khi được sinh ra từ bộ tạo sương sẽ di chuyển vào ngọn đuốc (torch) rồi vào plasma. Vì chỉ có một lượng nhỏ hơi mẫu được tiêm vào plasma nên cần có một thiết bị phun mẫu đặt giữa bộ tạo sương và ngọn đuốc ICP. Thiết bị phun mẫu tiêu biểu được trình bày ở hình 1.8. Hình 1.8 - Buồng phun mẫu vào hệ ICP-OES Chức năng chính của thiết bị phun mẫu là loại bỏ lượng lớn giọt mẫu ra khỏi hệ hơi sương. Chức năng thứ hai là làm phẳng các xung xảy ra trong quá trình tạo sương, thường là do quá trình bơm mẫu. Thiết bị phun mẫu được thiết kế cho hạt có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10 μm vào plasma. Thông thường lượng mẫu vào plasma chiếm từ 1 đến 5% lượng mẫu vào bộ tạo sương, phần còn lại theo ống dẫn thải ra ngoài. 1.8.2.2 Nguồn phát xạ ™ Ngọn đuốc (Torch) Ngọn đuốc gồm ba ống đồng tâm cho dòng argon và dòng sương mẫu thổi qua (Hình 1.9). Khoảng cách giữa hai ống ngoài khá hẹp để dòng khí thổi vào đạt tốc độ cao. Vùng này được thiết kế để dòng khí xoáy thẳng đứng vào. Dòng khí này có nhiệm vụ làm mát thành thạch anh của ngọn đuốc, gọi là dòng làm mát, dòng ngoài hay dòng plasma. Với khí argon trong hệ ICP, tốc độ dòng plasma trung bình khoảng 7 – 15 L/phút. Hình 1.9 – Sơ đồ ngọn đuốc dùng trong hệ ICP-OES Vùng giữa dòng ngoài và dòng trong đưa khí trực tiếp vào plasma. Dòng này giữ cho quá trình phóng điện tách xa khỏi ống trung gian và ống tiêm mẫu đồng thời chuyển mẫu vào plasma dễ dàng hơn. Dòng này được gọi là dòng bổ trợ, tốc độ trung bình khoảng 2-3 L/phút. Dòng khí cuối cùng đưa trực tiếp hơi mẫu vào plasma gọi là dòng mẫu, tốc độ dòng khoảng 1 L/phút và có chức năng như dòng khí mang. ™ Nguồn phát tần số sóng radio (RF power) Nguồn phát tần số radio là công cụ cung cấp năng lượng cho quá trình sản sinh và duy trì sự phóng điện trong plasma. Năng lượng này, thông thường từ 500 – 1700 W, được chuyển vào khí plasma qua cuộn tải quấn quanh đầu ngọn đuốc. Cuộn tải, có nhiệm vụ truyền năng lượng RF đến plasma, được làm bằng dây đồng và được làm mát bằng nước hoặc khí trong suốt quá trình vận hành. 1.8.2.3 Nguồn thu nhận và phát hiện bức xạ ™ Hệ thống truyền quang Bức xạ phát ra từ vùng plasma (được gọi là vùng phân tích thông thường NAZ) sẽ vào vùng đo phổ. Cho đến gần đây, vùng phân tích được quan sát từ plasma theo hướng thẳng đứng. Bước tiếp cận cổ điển đến vùng phổ ICP này được gọi là hướng xuyên tâm hay hướng theo cạnh của plasma. (Hình 1.10) Hình 1.10 - Bước tiếp cận vùng phổ ICP theo hướng cạnh Đầu những năm 1990, trên thị trường xuất hiện dạng ICP có bước tiếp cận đến vùng phổ ở hướng mới. Plasma xoay theo hướng nằm ngang và vùng quan sát theo hướng trục của plasma. (Hình 1.11) Hình 1.11 - Bước tiếp cận vùng phổ ICP theo hướng trục Một số thiết bị kết hợp cả hai bước tiếp cận trên. Đối với cấu hình hướng cạnh, lăng kính hội tụ kết hợp với hệ thống gương cho phép đo phát xạ ở các chiều cao khác nhau trong plasma. Việc này làm thiết bị linh động hơn, mặc dù nó không cần thiết cho hầu hết các phép phân tích. Với cấu hình hướng trục, việc đo phát xạ ở chiều cao khác nhau không quan trọng. Tuy nhiên, khả năng điều chỉnh hệ gương sẽ đơn giản hóa việc canh chỉnh ngọn đuốc. ™ Bộ đơn sắc Bức xạ phát ra từ vùng plasma được hướng vào một thiết bị quang học gọi là máy đơn sắc để phân giải thành từng tia đơn sắc riêng biệt. Hầu hết các thiết bị đo phổ phát xạ nguyên tử hiện nay đều dùng loại máy đơn sắc cách tử. Bằng cách xoay cách tử ta lựa chọn ở khe ra của máy đơn sắc một tia đơn sắc đặc trưng của nguyên tố hóa học cần xác định. Các bộ phận chính của máy đơn sắc gồm có: - Khe vào: để cung cấp một hình ảnh hẹp của nguồn bức xạ đa sắc (chưa phân giải). - Thấu kính tự chuẩn trực: để chuyển chùm tia phân kỳ thành chùm tia song song đa sắc (chưa phân giải). - Cách tử hoặc lăng kính: để tách chùm tia đa sắc thành từng tia đơn sắc, mỗi tia đơn sắc đi theo một chiều riêng. - Thấu kính tiêu điểm: để chuyển hình ảnh của khe vào lên khe ra. - Khe ra: để cho thoát ra tia đơn sắc yêu cầu và che mọi tia không yêu cầu. Hai dạng chủ yếu của máy đơn sắc được thể hiện ở hình 1.12. Hình 1.12 – a. Bộ đơn sắc loại hai gương b. Bộ đơn sắc loại một gương Cách tử là một bộ phận quan trọng trong bộ đơn sắc. Đó là một bản chữ nhật hoặc vuông bằng nhôm, mặt dưới gắn với một đế hợp kim kèm theo hệ thống ốc vi cấp để điều khiển góc quay của mặt phẳng cách tử, mặt trên người ta dùng mũi dao kim cương tạo ra các rãnh phản xạ song song và cách đều nhau. Có hai loại cách tử: - Cách tử echellette: là cách tử có mặt phẳng nhiễu xạ là mặt phẳng chứa cạnh dài của góc nhị diện của rãnh cách tử. Đặc điểm của loại cách tử này là: • Góc nghiêng nhỏ, khoảng 100 - 350 • Bậc nhiễu xạ làm việc m=1 Hình 1.13 – Sơ đồ cách tử echellette - Cách tử echelle: là cách tử có mặt phẳng nhiễu xạ là mặt phẳng chứa cạnh ngắn của góc nhị diện của rãnh cách tử. Đặc điểm của loại cách tử này là: • Góc nghiêng lớn, khoảng 630 • Bậc nhiễu xạ làm việc m=75 Hình 1.14 – Sơ đồ cách tử echelle Trong hệ ICP-OES, cách tử thường dùng là cách tử echelle. Những năm gần đây xuất hiện những máy đơn sắc ghép cách tử echelle và lăng kính 300 (hoặc một cách tử nhiều vạch hơn) để phân giải phổ nguyên tử. Tia sáng ra khỏi lò nguyên tử hóa lần lượt qua hệ quang học lăng kính-cách tử echelle-lăng kính. Năng suất phân giải được nâng cao gấp đôi trong loại máy đơn sắc này. Hệ quang điển hình của dạng cách tử này được thể hiện ở hình1.15. Hình 1.15 – Sơ đồ quang học cách tử echelle Cách tử echelle sẽ tách bức xạ đa sắc theo các bước sóng tạo thành những bậc phổ trùng chập nhau. Thiết bị phân tán thứ hai, cũng là cách tử với mật độ rãnh dày hơn sẽ tách các bậc phổ trùng chập thành dạng hai chiều gọi là echellogram. Mặt phẳng tiêu điểm của máy đơn sắc cách tử được thể hiện ở hình 1.16, với một chiều là thang bước sóng, còn chiều kia là bậc nhiễu xạ. Hình 1.16 - Mặt phẳng tiêu điểm của máy đơn sắc cách tử Cách tử echelle có những ưu điểm sau : - Hệ quang học đạt hiệu suất cao ở mỗi bậc phổ. Cách tử nhiễu xạ thường được tối ưu hóa ở tại bước sóng đặc trưng theo một bậc đặc biệt, thông thường là bậc 1. - Hệ thống có độ phân giải cực tốt vì được dùng ở những bậc phổ cao hơn (bậc càng cao độ phân giải càng tăng). Vì dùng bậc nhiễu xạ cao để làm tăng độ phân giải nên kích thước của thiết bị được thu nhỏ lại. ™ Bộ dò quang điện Tia cộng hưởng ở khe ra của máy đơn sắc được chiếu thẳng vào bộ dò quang điện để chuyển hóa thành dòng điện tương ứng. Đầu dò được dùng phổ biến nhất trong hệ ICP-OES là đèn nhân quang (PMT). PMT là một ống chân không có chứa chất cảm quang, được gọi là quang cathode, khi có ánh sáng chiếu vào sẽ sinh ra các electron. Các electron này va đập vào dynode sinh ra electron thứ cấp. Các electron thứ cấp này tiếp tục va đập vào dynode để sinh ra nhiều electron hơn. Trong một đèn nhân quang có thể có nhiều dynode và một anode. Dynode được chế bằng BeO, GaP, CsSb... Một đèn nhân quang điển hình chứa từ 9 đến 16 giai đoạn đi qua dynode. Ở bước cuối cùng, anode sẽ thu thập các electron từ dynode. Cường độ dòng điện đo được tại anode sẽ tỉ lệ với cường độ bức xạ chiếu vào đèn nhân quang. Hình 1.17 – Sơ đồ mô tả quang cathode, dynode và anode trong đèn nhân quang ™ Đầu dò CCD Ngày nay, những máy ICP thế hệ mới không dùng PMT nữa mà dùng đầu dò CCD (Charge coupled device) hay SCD (Segmented array charge-coupled device). Đầu dò CCD hoạt động dựa vào tính chất nhạy với ánh sáng của silic trạng thái rắn và nằm trong nhóm thiết bị dựa vào nền tảng silic gọi là thiết bị chuyển dời điện tích (CTD). Để minh họa những phần chính của CTD, chúng ta xét đến một khối tinh thể silic độ tinh khiết rất cao (Hình 1.18). Trên bề mặt nền silic là một lớp bảo vệ bằng SiO2. Mỗi nguyên tử silic liên kết với nguyên tử silic liền kề tạo thành mạng tinh thể ba chiều (Hình 1.19). Hình 1.18 - Tụ điện kim loại oxide-Silic Hình 1.19 - Sự hấp thu photon tạo thành electron và lỗ trống Liên kết Si-Si sẽ bị cắt đứt bởi một năng lượng với cường độ đủ lớn như photon ở bước sóng vùng UV hay Vis. Khi liên kết bị cắt đứt, một electron sẽ được giải phóng tạo thành một lỗ trống trong cấu trúc mạng tinh thể. Nếu áp vào một điện thế, electron tự do sẽ di chuyển ngược với từ trường áp vào hoặc hướng vào bề mặt Si-SiO2 trong khi các lỗ trống sẽ di chuyển cùng chiều hay ngược chiều với từ trường để lại khoảng trống tích điện dương. Sự di chuyển của các electron và lỗ trống trong mạng tinh thể sinh ra dòng điện tỉ lệ với lượng photon va chạm vào cấu trúc mạng. Các yếu tố CTD, còn được gọi là pixel, có thể thay đổi kích thước từ 6-30 μm và được sắp xếp ở dạng xốp hai chiều từ 512 x 512 pixel đến 4096 x 4096 pixel. Mỗi pixel có khả năng chứa photon sinh ra điện tích. Cách thu nhận và lưu trữ điện tích như thế nào là cơ sở để phân biệt các dạng đầu dò khác nhau. Thiết bị ICP chúng tôi dùng phân tích trong bài viết này sử dụng đầu dò CCD. Đây là đầu dò được dùng để xác định đồng thời nhiều bước sóng. Đầu dò CCD của thiết bị ICP-OES Varian 720-ES với 70 ngàn pixel cho hình ảnh hai chiều từ hệ quang học echelle, cung cấp bước sóng liên tục từ 167-785 nm, do đó có thể loại trừ cản nhiễu phổ. Đầu dò CCD định nghĩa lại khái niệm tốc độ trong phổ nguyên tử. Đây là kỹ thuật duy nhất với tốc độ 1 MHz pixel cho khả năng đọc nhanh hơn 80 lần so với các đầu dò khác. Chúng ta có thể đo đồng thời 73 nguyên tố chỉ trong thời gian 35 giây.