Xây dựng quy trình phân tích hàm lượng kim loại cadimi, chì trong rau muống bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử với kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Natural Sci., 2013, Vol. 58, No. 3, pp. 33-41 This paper is available online at XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG KIM LOẠI CADIMI, CHÌ TRONG RAU MUỐNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ VỚI KĨ THUẬT NGUYÊN TỬ HÓA KHÔNG NGỌN LỬA Nguyễn Quang Tuyển, Đặng Xuân Thư và Trần Thế Ngà Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Bài báo nghiên cứu điều kiện tối ưu xác định hàm lượng hai kim loại nặng Cd, Pb bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử với kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử 6300 của hãng Shimadzu Nhật Bản. Từ điều kiện đã chọn xây dựng đường chuẩn xác định Cd, Pb trong 25 mẫu rau muống bán tại khu vực chợ quận Cầu Giấy Hà Nội. Kết quả trên các mẫu rau đã phân tích cho thấy hàm lượng Cd, Pb đều thấp hơn ngưỡng cho phép của tiêu chuẩn TCVN 46-2007-BYT. Từ khóa: Phổ hấp thụ nguyên tử, kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa, Cd, Pb. 1. Mở đầu Ô nhiễm môi trường hiện nay là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học và các nhà quản lí quan tâm nghiên cứu. Sản xuất công nghiệp là ngành làm phát sinh nhiều loại chất thải gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường nước, môi trường đất [1, 2]. Ô nhiễm kim loại nặng trong đất, nước và không khí gây ra tồn dư lâu dài các kim loại nặng trong các sản phẩm nông nghiệp. Năm 1971, WHO đã khẳng định kim loại nặng ở nồng độ vượt ngưỡng cho phép trong các sản phẩm nông nghiệp ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người [8]. Rau xanh là nhu cầu không thể thiếu của con người trong khẩu phần ăn hàng ngày, khi rau xanh bị nhiễm bẩn kim loại nặng do trồng trên đất hoặc nguồn nước tưới bị ô nhiễm kim loại nặng cũng như do hoạt động công nghiệp hay bón các loại phân hóa học có lẫn hàm lượng kim loại cao thì các kim loại nặng sẽ được đưa vào cơ thể và tích lũy lại, từ đó gây độc hại cho cơ thể. Từ thực tiễn đó, chúng tôi đã nghiên cứu đưa ra quy trình phân tích phù hợp để xác định và đánh giá sự ô nhiễm kim loại Cd, Pb trong rau muống bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử với kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa có độ phát hiện cao, có thể phân Ngày nhận bài: 26/2/2013. Ngày nhận đăng: 17/5/2013. Tác giả liên lạc: Nguyễn Quang Tuyển, địa chỉ e-mail: tuyennguyendhsp74@gmail.com 33 Nguyễn Quang Tuyển, Đặng Xuân Thư và Trần Thế Ngà tích chính xác hàm lượng các kim loại nặng [3, 4]. Từ đó đánh giá mức độ ô nhiễm các kim loại Cd, Pb trong các mẫu rau muống trên địa bàn Quận Cầu Giấy, Hà Nội. Phương pháp xử lí mẫu cũng được đặc biệt chú ý để đảm bảo kết quả phân tích chính xác. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Thực nghiệm Thiết bị, dụng cụ và hóa chất: Hóa chất được sử dụng là chất tinh khiết của hãng Merck như HNO3, H2SO4, H2O2, HCl, Mg(NO3)2, . . . dung dịch chuẩn Cd2+, Pb2+ nồng độ 1000 ppm, nước cất hai lần. Các thiết bị cần thiết như lò nung mẫu và máy quang phổ hấp thụ nguyên tử 6300 (AAS) của hãng Shimadzu Nhật Bản với bộ lò Graphit GF7A, hệ thống làm mát MU, hệ thống đưa mẫu tự động RX. Các dụng cụ thủy tinh được sử dụng do CHLB Đức sản xuất có độ chính xác cao. Lấy mẫu và xử lí mẫu: Các mẫu rau muống được mua tại các chợ thuộc quận Cầu Giấy, Hà Nội trong khoảng thời gian từ tháng 10 đến tháng 12 năm 2012. Các mẫu rau được rửa sạch và rửa lại bằng nước cất hai lần, để khô nước, cắt lấy phần thân và lá ở giữa. Mẫu rau tươi được cân lấy 10,0 gam cắt nhỏ và sấy khô đến khối lượng không đổi làm mẫu phân tích [6]. Phương pháp thực nghiệm: Chúng tôi sử dụng phương pháp phá mẫu khô và phương pháp khô ướt kết hợp [8]. Các mẫu đã xử lí được định mức bằng dung dịch HNO3 2%,. Sau khi lọc sạch, các dung dịch mẫu được lấy đem đo trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử để xác định hàm lượng Cd, Pb với kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa. 2.2. Kết quả và thảo luận 2.2.1. Khảo sát các điều kiện tối ưu cho phép phân tích Các yếu tố được lựa chọn để khảo sát sự ảnh hưởng đến phép đo bao gồm: Sự có mặt của các ion kim loại khác ion nghiên cứu; Dung dịch nền ba loại axit HCl, HNO3, H2SO4 [7]; Chương trình nhiệt độ cho lò graphit (nhiệt độ sấy mẫu, nhiệt độ tro hóa, nhiệt độ nguyên tử hóa, nhiệt độ làm sạch cuvet); Cường độ dòng đèn catot (HCL). Kết quả khảo sát điều kiện nhiệt độ nguyên tử hóa với dung dịch cadimi 0,5 ppb trong dung dịch HNO3 2%, được thể hiện ở Hình 1. Từ kết quả trên, chúng tôi thấy rằng khi ở nhiệt độ nguyên tử hóa cadimi ở 2200 oC quá trình nguyên tử hóa có độ hấp thụ và độ ổn định cao. Do đó, nhiệt độ 2200 oC được chọn trong phép đo cadimi. Kết quả khảo sát điều kiện nhiệt độ nguyên tử hóa với dung dịch chì 10 ppb trong dung dịch HNO3 2%, Mg(NO3)2 0,03% được thể hiện ở Hình 2. Từ kết quả trên, chúng tôi thấy rằng khi ở nhiệt độ nguyên tử hóa chì ở 2500 oC quá trình nguyên tử hóa có độ hấp thụ và độ ổn định cao. Do đó, nhiệt độ 2500 oC được chọn trong phép đo chì. 34 Xây dựng quy trình phân tích hàm lượng kim loại cadimi, chì trong rau muống... Hình 1. Khảo sát nhiệt độ nguyên tử hóa Cd Hình 2. Khảo sát nhiệt độ nguyên tử hóa Pb Qua kết quả khảo sát, chúng tôi lựa chọn được các điều kiện tối ưu cho phép xác định hàm lượng Cd, Pb được chỉ ra ở các Bảng 1 và 2. Bảng 1. Điều kiện tối ưu xác định hàm lượng Cd Chương trình nhiệt độ chọn để xác định Cd Đèn HCL (mA) 7,0 ( 70% I max) Bước sóng 228,77 Khe đo (nm) 0,7 Chiều cao đo (mm) 7 Môi trường khí (mL/ph) Ar Loại cuvet A Môi trường dung dịch mẫu HNO3 2% Mẫu nền (thay đổi) 0,05 mg/mL Mg(NO3)2 Lượng mẫu (µL) 10 µL Độ nhạy (LOD) (ppb) 0,1 Vùng tuyến tính 0,1 - 5 ppb Chương trình nguyên tử hóa t(oC) t(s) Ar L/ph Heat Làm khô 1 150 20 0,1 Ram OFF 35 Nguyễn Quang Tuyển, Đặng Xuân Thư và Trần Thế Ngà Làm khô 2 250 10 0,1 Ram - Tro hóa 1 500 10 1,0 Step - Tro hóa 2 500 10 1,0 Step - Tro hóa 3 500 3 0,0H Step - Nhiệt độ nguyên tử hóa 2200 2 0,0H Step ON Rửa cuvet 2400 2 1,0 Step OFF Phân tích vạch phổ Cd Vạch phổ (nm) LOD (ppb) LOQ(ppb) Cmax (ppb) Cd-228,77 0,1 0,5 5,0 Bảng 2. Điều kiện tối ưu xác định hàm lượng Pb Chương trình nhiệt độ chọn để xác định Pb Đèn HCL (mA) 7,0 (70% Imax) Bước sóng 283,57 nm Khe đo (nm) 0,7 Chiều cao đo (mm) 7 Môi trường khí (mL/ph) Ar Loại cuvet A Môi trường dung dịch mẫu HNO3 2% Mẫu nền (thay đổi) 0,03 mg/mL Mg(NO3)2 Lượng mẫu (µL) 10 µL Độ nhạy (LOD) (ppb) 0,5 Vùng tuyến tính 0,5 – 20 ppb Chương trình nguyên tử hóa t(oC) t(s) Ar L/ph Heat Làm khô 1 120 20 Ram 0,1 OFF Làm khô 2 250 10 Ram 0,1 - Tro hóa 1 600 10 Step 1,0 - Tro hóa 2 600 10 Step 1,0 - Tro hóa 3 600 3 Step 0,0H - Nhiệt độ nguyên tử hóa 2500 2 Step 0,0H ON Rửa cuvet 2600 2 Step 1,0 OFF Phân tích vạch phổ Pb Vạch phổ (nm) LOD (ppb) LOQ(ppb) Cmax (ppb) Pb-283,57 0,5 2 20 Nghiên cứu ảnh hưởng các kim loại khác với Cd 0,5 ppb và Pb 10 ppb được chỉ ra trên Bảng 3. 36 Xây dựng quy trình phân tích hàm lượng kim loại cadimi, chì trong rau muống... Bảng 3. Ảnh hưởng của tổng cation đến phổ hấp thụ của Cd, Pb Nồng độ kim loại 0 1 2 C3+Fe (µL) 0 0,3 0,5 C2+Ni (µL) 0 0,3 0,5 C2+Zn (µL) 0 0,3 0,5 C2+Co (µL) 0 0,3 0,5 C3+Cr (µL) 0 0,3 0,5 A: Cd 0,1826 0,1834 0,1847 Sai số % 0,43 0,70 A: Pb 0,1214 0,1227 0,1233 Sai số % 1,05 0,48 Kết quả cho thấy không có sự ảnh hưởng của các kim loại nặng khác đến phép xác định hàm lượng Cd và Pb trong mẫu nghiên cứu. Do đó việc xác định hai kim loại trên mẫu rau thật với phương pháp đã chọn là hoàn toàn chọn lọc. 2.2.2. Phương pháp xử lý mẫu phân tích [8] - Phân hủy mẫu theo phương pháp khô: Thời gian nung: 2,0 giờ; Nhiệt độ nung: 450 0C - Phân hủy mẫu theo phương pháp khô ướt kết hợp: Dung môi: 5 mL HNO3; 3 mL H2O2; 1 mL HClO4; Thời gian nung: 2,0 giờ; Nhiệt độ nung: 450 0C. Theo cách tiến hành như trên, hiệu suất thu hồi của 2 phương pháp phân hủy mẫu khô và mẫu khô ướt kết hợp lần lượt là: 67,45% và 80,25%. Với các điều kiện tối ưu đã khảo sát trên máy được chọn tiến hành đo với 5 mẫu thí nghiệm song song, kiểm tra sai số và độ lặp của phương pháp được thể hiện trên các Bảng 4 và 5. Bảng 4. Kết quả nồng độ Cd trên mẫu với phương pháp vô cơ hóa Phương vô cơ hóa mẫu Cd Giá trị trung bình (05 mẫu) Độ lệch chuẩn Stt Độ lệch chuẩn Stđ % Chuẩn student: t Độ chính xác PP Khô 0,4996 1,49. 10−3 0,30 0,25 1,67. 10−4 PP Khô ướt 0,4998 1,13. 10−3 0,23 0,14 7,16. 10−5 Bảng 5. Kết quả nồng độ Pb trên mẫu với phương pháp vô cơ hóa Phương vô cơ hóa mẫu Pb Giá trị trung bình (05 mẫu) Độ lệch chuẩn Stt Độ lệch chuẩn Stđ% Chuẩn student: t Độ chính xác PP Khô 2,5009 2,29. 10−3 0,092 0,41 4,20. 10−4 PP Khô ướt 2,5013 3,90. 10−3 0,160 0,33 5,81. 10−4 37 Nguyễn Quang Tuyển, Đặng Xuân Thư và Trần Thế Ngà Kết quả trên cho thấy độ lệch chuẩn tương đối nhỏ cho cả hai phương pháp vô cơ hóa mẫu. Việc vô cơ hóa theo phương pháp khô hạn chế nhiễm bẩn và an toàn hơn do phương pháp này ít sử dụng đến axit. 2.2.3. Quy trình phân tích hàm lượng Cd, Pb trong các mẫu rau muống Dựa vào kết quả khảo sát ở trên, chúng tôi đưa ra quy trình phân tích để xác định hàm lượng Cd, Pb trong mẫu rau muống như sau: Hình 3. Quy trình phân tích hàm lượng Cd, Pb trong mẫu rau muống 2.2.4. Xây dựng đường chuẩn để xác định hàm lượng Cd và Pb Chúng tôi tiến hành pha dãy mẫu chuẩn Cd và Pb rồi đo độ hấp thụ của các mẫu này. Từ kết quả đo, tiến hành xây dựng đường chuẩn để xác định hàng loạt các mẫu phân tích sau này. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Cd và Pb được chỉ ra ở các Hình 4 và 5. Từ kết quả ta thu được phương trình đường chuẩn của Cd là: Abs = (0,3393± 0,0181).C + (0,0149± 0,0053) với hệ số tương quan: R2 = 0,9916. Từ kết quả ta thu được phương trình đường chuẩn của Pb là: Abs = (0,0101± 0,0002).C + (0,0033± 0,0029) với hệ số tương quan: R2 = 0,9983. Hình 4. Đường chuẩn của Cd 38 Xây dựng quy trình phân tích hàm lượng kim loại cadimi, chì trong rau muống... Hình 5. Đường chuẩn của Pb Xác định hàm lượng Cd, Pb trong một số mẫu rau muống trên địa bàn quận Cầu Giấy, Hà Nội Chúng tôi áp dụng quy trình phân tích đã khảo sát ở trên để tiến hành phân tích xác định hàm lượng Cd, Pb trong các mẫu rau muống thu thập tại các chợ trên địa bàn quận Cầu Giấy, Hà Nội. Từ các kết quả đo, tính toán hàm lượng cho 1 kg rau muống tươi, chúng tôi đã thu được kết quả ở Bảng 6. Bảng 6. Kết quả hàm lượng Cd, Pb trên một số mẫu rau muống Mẫu Địa điểm, thời gian lấy mẫu Hàm lượng mg/kg rau tươi Hàm lượng Cd (mg/kg) Hàm lượng Pb (mg/kg) M1 Chợ Cầu Giấy, ngày 23/10/2012 0,0256 0,1543 M2 Chợ Nghĩa Tân, ngày 23/10/2012 0,0341 0,1544 M3 Chợ Xanh Sư Phạm 23/10/2012 0,0162 0,0963 M4 Chợ Cầu Giấy, ngày 26/10/2012 0,0238 0,1647 M5 Chợ Nghĩa Tân, ngày 26/10/2012 0,0246 0,1328 M6 Chợ Xanh Sư Phạm 26/10/2012 0,0192 0,1133 M7 Chợ Cầu Giấy, ngày 30/10/2012 0,0254 0,1064 M8 Chợ Nghĩa Tân, ngày 30/10/2012 0,0357 0,1742 M9 Chợ Xanh Sư Phạm 30/10/2012 0,0172 0,0998 M10 Chợ Cầu Giấy, ngày 12/11/2012 0,0211 0,1561 M11 Chợ Nghĩa Tân, ngày 12/11/2012 0,0311 0,1254 M12 Chợ Xanh, ngày 12/11/2012 0,0200 0,0912 39 Nguyễn Quang Tuyển, Đặng Xuân Thư và Trần Thế Ngà M13 Chợ Cầu Giấy, ngày 15/11/2012 0,0346 0,1218 M14 Chợ Nghĩa Tân, ngày 15/11/2012 0,0301 0,1855 M15 Chợ Xanh, ngày 15/11/2012 0,0238 0,1127 M16 Chợ Cầu Giấy, ngày 15/11/2012 0,0217 0,1524 M17 Chợ Xanh, ngày 10/12/2012 0,0327 0,1599 M18 Chợ Nghĩa Tân, ngày 10/12/2012 0,0342 0,1744 M19 Chợ Cầu Giấy, ngày 10/12/2012 0,0282 0,1641 M20 Chợ Nghĩa Tân, ngày 18/12/2012 0,0366 0,2342 M21 Chợ Xanh, ngày 18/12/2012 0,0240 0,1745 M22 Chợ Nghĩa Tân, ngày 18/12/2012 0,0318 0,2473 M23 Chợ Cầu Giấy, ngày 24/12/2012 0,0287 0,1322 M24 Chợ Xanh, ngày 24/12/2012 0,0275 0,1568 M25 Chợ Cầu Giấy, ngày 24/12/2012 0,0243 0,1628 Tiêu chuẩn VN 46-2007-QĐ-BYT [5]: Cd trong rau 0,05 mg/kg Pb trong rau 0,30 mg/kg Kết quả nghiên cứu đã cho thấy các mẫu rau muống được khảo sát đều có hàm lượng Cd, Pb nằm trong giới hạn cho phép của Bộ Y tế. Vì vậy, có thể kết luận rằng chưa có sự ô nhiễm Cd và Pb trên các mẫu rau muống bán tại một số chợ ở Quận Cầu Giấy. 3. Kết luận Trong quá trình nghiên cứu phân tích hàm lượng kim loại cadimi, chì trong rau muống bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử với kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa, chúng tôi đã thu được một số kết quả quan trọng sau đây: 1- Đã xác định được các điều kiện tối ưu cho phép định lượng Cd và Pb, từ đó đưa ra quy trình xác định hàm lượng hai kim loại nặng Cd và Pb bằng kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS-6300 của hãng Shimadzu - Nhật Bản. Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp trên có độ tin cậy cao, độ lặp tốt, cho phép phân tích hàng loạt các mẫu rau muống và các mẫu rau xanh khác. 2- Đã khảo sát được điều kiện sấy mẫu, điều kiện tro hóa mẫu, điều kiện nguyên tử hóa mẫu phân tích. 3- Đã khảo sát ảnh hưởng của 3 loại axit HCl, H2SO4, HNO3 để chọn ra môi trường phù hợp cho phép xác định chì và cadimi là axit HNO3 2%. 4- Trên cơ sở các điều kiện đã chọn xác định được giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng cũng như khoảng tuyến tính của phép xác định Cd và Pb. Xây dựng đường chuẩn, 40 Xây dựng quy trình phân tích hàm lượng kim loại cadimi, chì trong rau muống... ứng dụng để định lượng Cd, Pb trong các mẫu phân tích. 5- Đã tiến hành xử lí và xác định hàm lượng Cd, Pb trong 25 mẫu rau muống lấy tại các chợ ở Quận Cầu Giấy, Hà Nội. Kết quả cho thấy, các mẫu rau được kiểm tra chưa bị ô nhiễm Cd và Pb (hàm lượng Cd và Pb đều nằm dưới ngưỡng tiêu chuẩn cho phép của Bộ Y tế - Việt Nam). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Lan Anh, Phạm Gia Môn, Vũ Đức Lợi, Đỗ Việt Anh, 1997. Xác định kim loại nặng trong nước biển bằng phương pháp AAS và Vôn Ampe hoà tan. Tạp chí phân tích hoá lý sinh T2, Vol. 3, pp. 31 – 34. [2] Đặng Xuân Thư, Hoàng Ngọc Chức, 2010. Xác định hàm lượng một số kim loại nặng trong nước bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử. Tạp chí khoa học và công nghệ số 48-số 2A, pp. 457-463. [3] Phạm Luận, 1998. Cơ sở lý thuyết của các phương pháp EAS và AAS, Tập 1,2. Trường Đại học Khoa học tự nhiên. [4] Phạm Luận, 2006. Các phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử. Trường ĐHKHTN. [5] Quy định 46-2007-QĐ-BYT-PL.Giới hạn tối đa kim loại nặng trong thực phẩm. [6] Anthony Kachenko and Balwant Singh, 2006. Heavy metals contamination of home grown vegetables near metal smelters in NSW. Faculty of Agriculture, food and Natural Resources, the University of Sydney, NSW, Australia. [7] Tran Cong Viet, Nguyen Quang Tuyen, Nguyen Thu Ha, 2008. Study on the optimal condition to determine Cu, Pb and Cd using flame atomic absortion spectroscopy (F-AAS). Journal of science of HNUE, Natural Sci., Vol. 53, No. 5, pp. 89-94. [8] Nguyễn Thị Hường, 2010. Xây dựng quy trình phân tích kim loại Đồng trong rau muống ở một số khu vực thuộc thành phố Đà Nẵng. Tạp chí khoa học & Công nghệ Đại học Đà Nẵng- số 5 (40). ABSTRACT Determining the concentration of Cd and Pb in water morning glory (rau muong) through an Atomic Absorption Spectroscopy method using a no-flame atomizing technique In this paper, we focused mainly on optimizing conditions to determine the concentration of Cd and Pb using the Atomic Absorption Spectroscopy method and an atomizing technique with a graphite furnace and an Atomic Absorption Spectrophotometer (6300, Shimadzu, Japan). Under optimal conditions, the carbliration curve was established and applied to determine the Cd and Pb concentrations in 25 samples of vegetable that were being sold in Cau Giay District, Hanoi. It was found that the concentrations of Cd and Pb in the “rau muong” samples were below the amount requested by TCVN 46-2007-BYT. 41