Đề tài Xác định tổng hàm lượng kim loại nặng trong mẫu trầm tích, mẫu nước, thực vật

ại các vùng hồ Dongjiu, Taihu của Trung Quốc để đánh giá mức độ ô nhiễm các kim loại Al, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Li, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Sr, Ti, V và Zn. [53] Tessieretal đã nghiên cứu và phát triển quy trình chiết rút các dạng liên kết của kim loại trong mẫu đất và trầm tích, đồng thời cũng đưa ra phương pháp xác định hàm lượng tổng tất cả các dạng của kim loại. Tác giả đã sử dụng các axit mạnh như HF, H2O2, HNO3, HClO4 để xử lý mẫu và thu được kết quả tốt.[51] 1.5.4. Một số phương pháp xử lý mẫu thực vật xác định hàm lượng kim loại nặng Đồng Minh Hậu, Hoàng Thị Thanh Thủy, Đào Phú Quốc đã phá mẫu thực vật để nghiên cứu khả năng hấp thu kim loại nặng trong bùn nạo vét kênh Tân Hóa- Lò Gốm để xác định Cr,Cu, Zn bằng HCl đậm đặc và HNO3 đậm đặc theo tỷ lệ thể tích là 3:1. Mẫu được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ ngọn lửa AAS ở những bước sóng hấp thụ tối ưu cho từng nguyên tố[5]. M.G.M Alam, E.T.Snow, A Tanaka đã phá mẫu các loại rau như bí ngô, khoai môn, đu đủ để xác định các kim loại nặng trong mẫu được trồng ở làng Samta, Bangladesh bằng HNO3 và HF. Mẫu sau khi phân huỷ được xác định bằng phương pháp ICP-MS thu được các kết quả về nồng độ trung bình các kim loại nặng (μg/g) là:As (0,17);Cd (0,023); Cr (0,07); Cu (3,5); Co (0,02); Fe (12,7); Mn (34,70; Pb (4,5); Zn (25,2) .[ 37] Các tác giả F.Queirolo, S.Stegen, M.Restovic, M.Paz, P.Ostapczuk, M.J.Schwuger, L.Munoz đã dùng HNO3 đặc và HClO4 đặc theo tỷ lệ về thể tích là 4:1 để phá các mẫu lương thực như ngô, khoai tây, hành, đậu để xác định Pb, Cd. Mẫu sau khi phá được xác định bằng phương pháp ICP-MS thu được nồng độ của Cd từ 0,56 -3,9 ng/g và của Pb là từ 0,6-25,4 ng/g.[ 31] CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tượng, nội dung, phương pháp nghiên cứu Tại các làng nghề tái chế rác thải như khu vực Triều Khúc – Hà Nội, nước thải của quá trình tái chế được thải trực tiếp xuống các ao, hồ, ruộng xung quanh đó. Do đó đối tượng nghiên cứu để đánh giá ô nhiễm môi trường được lựa chọn là các sinh vật tích tụ như trai, ốc, hến sống tại các ao, hồ, ruộng bị ô nhiễm, các mẫu thực vật, các mẫu trầm tích (bùn đáy ao) sâu 30 cm và mẫu nước ngay tại ao, hồ để đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng và khả năng lan truyền ô nhiễm từ nước, trầm tích vào động vật, thực vật thủy sinh. Nội dung và phương pháp nghiên cứu bao gồm: - Nghiên cứu các quy trình xử lý mẫu động vật nhuyễn thể (ốc bươu vàng), trầm tích (bùn đáy ao), thực vật của các ao, hồ khu vực Triều Khúc, đánh giá các quy trình xử lý mẫu để tìm ra quy trình xử lý mẫu tốt nhất đối từng loại mẫu. - Phân tích xác định tổng hàm lượng kim loại nặng trong các mẫu ốc,thực vật, bùn ao và mẫu nước bằng phương pháp phân tích ICP – MS trên cơ sở tối ưu hóa các điều kiện đo và đánh giá phương pháp phân tích. - Phân tích mẫu thực tế lấy tại các ao hồ thuộc khu vực thu gom và tái chế rác thải điện tử thuộc khu vực Triều Khúc để đánh giá mức độ ô nhiễm, sau đó sử dụng phương pháp phân tích thống kê đa biến đánh giá nguồn gốc và mối tương quan về mức độ tích tụ kim loại nặng trong động, thực vật thủy sinh tại khu vực này. 2.2. Hóa chất và dụng cụ - Hóa chất được sử dụng là các loại hóa chất siêu tinh khiết của Merck như: HNO3, HClO4, H2O2, H2SO4, HF…dung dịch chuẩn đa nguyên tố dùng cho phân tích ICP-MS. - Dụng cụ thí nghiệm: bình Kendal dung tích 100 ml, cốc Teflon 50 ml, bình định mức các loại 100ml, 50ml, 25ml, cốc 50ml, phễu lọc, pipet các loại, bếp điện, giấy lọc… - Thiết bị: máy đo ICP-MS (ELAN 9000) và các thiết bị phụ . Hệ thống phân tích ICP-MS điển hình có dạng như hình 6. Hình 7 là hình ảnh thiết bị phân tích ICP-MS được sử dụng để phân tích mẫu tại khoa Hoá- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc Gia Hà Nội. Hình 6: Sơ đồ khối về nguyên tắc cấu tạo của hệ ICP- MS 1. Hệ bơm dẫn mẫu vào buồng tạo sol khí. 2. Bộ tạo sol khí mẫu. 3. Đèn nguyên tử hóa mẫu. 4. Bộ khử đầu ngọn lửa ICP. 5. Hệ thấu kính ion. 6. Hệ phân giải phổ khối. 7. Trường tứ cực và bộ lọc ion. 8. Detector. 9. Hệ điện tử. 10. Bơm chân không. 11. Bơm chân không loại tubor phân tử. 12. Hệ buồng chân không của máy. 13. Bộ phận cấp khí Ar. Hình 7: Hình ảnh máy ICP – MS (ELAN 9000) 2.3. Lấy mẫu, xử lý mẫu, bảo quản mẫu 2.3.1. Lấy mẫu * Vị trí lấy mẫu: Các mẫu ốc, trầm tích, thực vật và mẫu nước được lấy ở các ao, hồ thuộc khu vực Triều Khúc-Thanh Trì – Hà Nội. Trên khu vực này, hầu hết các hộ gia đình đều thu gom và tái chế phế liệu. Phế liệu từ các nơi được nhập về, chất thành đống trên nền gạch hoặc nền đất xung quanh nơi cư trú và được phân loại, rửa sạch, nghiền nhỏ, phơi khô rồi xuất đi các cơ sở tái chế nhựa. Một số hộ gia đình trực tiếp nấu nhựa, tạo các hạt nhựa cung cấp cho các cơ sở sản xuất nhựa. Nước thải của quá trình tái chế trên được các hộ gia đình này thải ra các mương nước, ao, hồ, đồng ruộng xung quanh khu vực, làm cho môi trường khu vực này ô nhiễm. Các mẫu thuộc các đối tượng khác nhau nhưng được lấy tại cùng một vị trí để đánh giá đúng tình trạng môi trường khu vực động vật nhuyễn thể đang sống. Mỗi mẫu sau khi lấy đều được ghi kèm các thông tin về vị trí lấy mẫu và loại mẫu đồng thời thu thập thêm thông tin, hồ sơ về bãi tập kết và thu gom rác thải điện tử. - Mẫu ốc được lấy theo hai mùa là mùa khô và mùa mưa Mùa khô (ngày 11 tháng 3 năm 2009) Địa điểm lấy mẫu và ký hiệu mẫu được ghi lại như bảng 2 Bảng 2: Vị trí lấy mẫu và ký hiệu mẫu ốc mùa khô Vị trí lấy mẫu Ngày / giờ lấy mẫu Ký hiệu mẫu Xóm Chùa Mẫu được lấy tại mương nước thải, cách bãi tập kết rác thải 20 m 9h ngày 11/3/2009 Ốc 1 Xóm Án Mẫu được lấy tại đầm để hoang, có nước sát bề mặt đầm cách vị trí bãi tập kết rác thải 10 m 9h25’ ngày 11/3/2009 Ốc 2 Xóm Lẻ Mẫu được lấy tại đầm trồng rau muống, cách vị trí bãi tập kết rác thải 30 m 10h13’ ngày 11/3/2009 Ốc 3 Xóm Cầu-vị trí 1 Tại ao cạnh sân bóng Triều Khúc, cách vị trí bãi tâp kết rác thải điện tử 5 m, nước thải quá trình tái chế được thải trực tiếp xuống ao 10h 42’ngày 11/3/2009 Ốc 4 Xóm Cầu –vị trí 2 Tại mương nước thải cách vị trí bãi tập kết rác 35 m. 11h 25’ngày 11/3/2009 Ốc 5 Mùa mưa ( Ngày 20 tháng 7 năm 2009) Địa điểm lấy mẫu và ký hiệu mẫu được ghi lại như bảng 3 Bảng 3: Vị trí lấy mẫu và ký hiệu mẫu ốc mùa mưa Vị trí lấy mẫu Ngày / giờ lấy mẫu Ký hiệu mẫu Xóm Án- vị trí 1 Mẫu được lấy tại đầm để hoang, có nước sát bề mặt đầm ngay cạnh vị trí bãi tập kết rác thải 8h15’ ngày 20/7/2009 Ốc 6 Xóm Án- vị trí 2 Mẫu được lấy tại đầm để hoang, có nước sát bề mặt đầm cách vị trí bãi tập kết rác thải 5 m 8h20’ ngày 20/7/2009 Ốc 7 Xóm Án- vị trí 3 Mẫu được lấy tại đầm để hoang, có nước sát bề mặt đầm cách vị trí bãi tập kết rác thải 10 m 8h 20’ ngày 20/7/2009 Ốc 8 Xóm Lẻ- vị trí 1 Mẫu được lấy tại đầm trồng rau muống, cách vị trí bãi tập kết rác thải 30 m 8h30’ ngày 20/7/2009 Ốc 9 Xóm Lẻ -vị trí 2 Mẫu được lấy tại đầm trồng rau muống, cách vị trí bãi tập kết rác thải 20 m 8h30’ ngày 20/7/2009 Ốc 10 Xóm Lẻ -vị trí 3 Mẫu được lấy tại đầm trồng rau muống, cách vị trí bãi tập kết rác thải 10 m 8h40’ ngày 20/7/2009 Ốc 11 Xóm Đình: Mẫu được lấy tại ao Đình 9h 00’ngày 20/7/2009 Ốc 12 Xóm Cầu-vị trí 1 Tại ao cạnh sân bóng Triều Khúc, cách vị trí bãi tâp kết rác thải điện tử 5 m, nước thải quá trình tái chế được thải trực tiếp xuống ao 9h 15’ngày 20/7/2009 Ốc 13 Xóm Cầu –vị trí 2 Tại mương nước thải cách vị trí bãi tập kết rác 2 m 9h 20’ngày 20/7/2009 Ốc 14 Ruộng lúa-vị trí 1 Cách vị trí tập kết rác thải 20 m 9h 30’ngày 20/7/2009 Ốc 15 Ruộng lúa-vị trí 2 Cách vị trí tập kết rác thải 30 m 9h 45’ngày 20/7/2009 Ốc 16 Ruộng lúa-vị trí 3 Cách vị trí tập kết rác thải 40 m 9h 50’ngày 20/7/2009 Ốc 17 Ruộng lúa-vị trí 4 Cách vị trí tập kết rác thải 50 m 10h 15’ngày 20/7/2009 Ốc 18 Mương nước thải Mương chứa nước thải của cả thôn Triều Khúc 10h 30’ngày 20/7/2009 Ốc 19 Mẫu ốc bươu Được mua tại chợ Mai Lĩnh có nguồn gốc tại Chương Mỹ-Hà Nội 9h00’ ngày 21/7/2009 Ốc 20 Hình 8: Bản đồ khu vực lấy mẫu -Mẫu trầm tích (bùn đáy): được lấy vào mùa khô ( ngày 12 tháng 3 năm 2009) và được lấy cùng vị trí với mẫu ốc Địa điểm lấy mẫu và ký hiệu mẫu được ghi lại như bảng 4 Bảng 4: Vị trí lấy mẫu và ký hiệu mẫu trầm tích Vị trí lấy mẫu Ngày / giờ lấy mẫu Ký hiệu mẫu Xóm Chùa Mẫu được lấy tại mương nước thải, cách bãi tập kết rác thải 20 m 13h ngày 12/3/2009 Đ 1 Xóm Án Mẫu được lấy tại đầm để hoang, có nước sát bề mặt đầm cách vị trí bãi tập kết rác thải 10 m 13h 25’ ngày 12/3/2009 Đ 2 Xóm Lẻ Mẫu được lấy tại đầm trồng rau muống, cách vị trí bãi tập kết rác thải 30 m 13h45’ ngày 12/3/2009 Đ 3 Xóm Cầu-vị trí 1 Tại ao cạnh sân bóng Triều Khúc, cách vị trí bãi tâp kết rác thải điện tử 5 m, nước thải quá trình tái chế được thải trực tiếp xuống ao 14h 00’ngày 12/3/2009 Đ 4 Xóm Cầu –vị trí 2 Tại mương nước thải cách vị trí bãi tập kết rác 35 m. 14h 30’ngày 12/3/2009 Đ 5 -Mẫu thực vật (là loài rau rệu sống trên mặt nước tại các ao , hồ, ruộng cùng nơi với mẫu động vật) được lấy vào mùa mưa (ngày 22 tháng 7 năm 2009) và được lấy cùng vị trí với mẫu ốc Địa điểm lấy mẫu và ký hiệu mẫu được ghi lại như bảng 5 Bảng 5: Vị trí lấy mẫu và ký hiệu mẫu thực vật Vị trí lấy mẫu Ngày / giờ lấy mẫu Ký hiệu mẫu Xóm Chùa Mẫu được lấy tại mương nước thải, cách bãi tập kết rác thải 20 m 9h ngày 22/7/2009 TV 1 Xóm Án Mẫu được lấy tại đầm để hoang, có nước sát bề mặt đầm cách vị trí bãi tập kết rác thải 10 m 9h30’ ngày 22/7/2009 TV 2 Xóm Lẻ Mẫu được lấy tại đầm trồng rau muống, cách vị trí bãi tập kết rác thải 30 m 10h15’ ngày 22/7/2009 TV 3 Xóm Cầu-vị trí 1 Tại ao cạnh sân bóng Triều Khúc, cách vị trí bãi tâp kết rác thải điện tử 5 m, nước thải quá trình tái chế được thải trực tiếp xuống ao 10h 45’ngày 22/7/2009 TV 4 Xóm Đình Tại mương nước thải cách vị trí bãi tập kết rác 35 m. 11h 15’ngày 22/7/2009 TV 5 -Mẫu nước: được lấy vào mùa khô( ngày 20 tháng 3 năm 2009) được lấy cùng vị trí với mẫu ốc Địa điểm lấy mẫu và ký hiệu mẫu được ghi lại như bảng 6 Bảng6: Vị trí lấy mẫu và ký hiệu mẫu nước Vị trí lấy mẫu Ngày / giờ lấy mẫu Ký hiệu mẫu Xóm Chùa Mẫu được lấy tại mương nước thải, cách bãi tập kết rác thải 20 m 9h ngày 20/3/2009 N 1 Xóm Án Mẫu được lấy tại đầm để hoang, có nước sát bề mặt đầm cách vị trí bãi tập kết rác thải 10 m 9h30’ ngày 20/3/2009 N 2 Xóm Lẻ Mẫu được lấy tại đầm trồng rau muống, cách vị trí bãi tập kết rác thải 30 m 10h15’ ngày 20/3/2009 N 3 Xóm Cầu-vị trí 1 Tại ao cạnh sân bóng Triều Khúc, cách vị trí bãi tâp kết rác thải điện tử 5 m, nước thải quá trình tái chế được thải trực tiếp xuống ao 10h 45’ngày 20/3/2009 N 4 2.3.2. Xử lý mẫu sơ bộ và bảo quản mẫu * Mẫu động vật nhuyễn thể: Ốc bươu vàng sống trong các ao, đầm, mương nước thải gần khu tập kết rác thải điện tử và tái chế rác thải, sau khi lấy được rửa sạch lớp vỏ bên ngoài bằng nước sạch tại chính nơi lấy mẫu để loại bỏ bùn, các chất bẩn khác bám trên vỏ của chúng. Sau đó chuyển ốc vào hộp đựng chứa đầy nước tại khu vực lấy mẫu và chuyển về phòng thí nghiệm, giữ ốc sống trong nước để chúng nhả gần hết các chất bẩn. Trước khi mổ ốc lấy thịt bên trong cần phải rửa kỹ lớp vỏ bên ngoài bằng nước sạch để loại bỏ hết bùn, rêu, tảo hay các chất bẩn khác bám trên vỏ của chúng. Sau khi mổ lấy phần thân mềm của ốc, rửa sạch phần mô mền thu được bằng nước cất 2 lần, thấm khô bằng giấy lọc sạch. Sau đó đồng nhất mẫu bằng máy xay. Lưỡi dao và các bộ phận khác của máy xay phải được vệ sinh kỹ, tráng rửa bằng axit HNO3 loãng trước và sau khi xử lý mỗi mẫu. Cuối cùng tiến hành sấy khô mẫu ở 60 0C và xác định hệ số mẫu khô / tươi theo công thức sau: Ở đây : dw % là hệ số mẫu khô / tươi ( g/100g ) tính theo phần trăm sdw là lượng cân khô của mẫu ( g ) sww là lượng cân tươi của mẫu ( g ) Các số liệu thực nghiệm cho thấy hệ số khô/tươi của mẫu ốc là: 19,87%. * Đối với mẫu thực vật: Mẫu rau rệu sống trên mặt nước tại các ao , hồ, ruộng cùng nơi với mẫu động vật nhuyễn thể sau khi lấy được rửa sạch bùn đất bám vào bằng chính nước tại khu vực lấy mẫu, sau đó chuyển mẫu vào túi nhựa có gắn mép để bảo quản. Mẫu lấy về lại được rửa sạch bằng nước cất hai lần, cắt nhỏ, sấy khô ở 70oC đến khối lượng không đổi, đồng nhất mẫu rồi chuyển vào túi nhựa có gắn kín, để trong bình hút ẩm. * Đối với mẫu trầm tích: Mẫu trầm tích được lấy là mẫu bùn đáy ao. Khi lấy bùn lên khỏi mặt nước, chỉ lấy phần bùn ở giữa chuyển vào túi nhựa có gắn mép để bảo quản, lượng mẫu được lấy tại mỗi địa điểm tối thiểu là 0,5 kg. Mẫu lấy về được sấy khô ở 1000C đến khối lượng không đổi, rây qua rây kích thước 2 mm, đồng nhất mẫu và chuyển vào túi nhựa có gắn kín, để trong bình hút ẩm. * Đối với mẫu nước: Mẫu nước lấy ở độ sâu 20 cm dưới bề mặt, sau khi chuyển vào bình đựng, mẫu được axit hóa ngay bằng axit HNO3 1:1 (khoảng 3 ml HNO3 1:1 cho 1 lit mẫu nước). Nếu phân tích Hg mẫu được chứa trong chai thuỷ tinh borosilicat còn nếu phân tích asen mẫu phải được đựng trong chai nhựa (chai đựng mẫu đã được rửa sạch, tráng axit). Mẫu sau khi được xử lý như trên có thể bảo quản 1 tháng. Ngay sau khi chuyển từ hiện trường về phòng thí nghiệm, mẫu nước được bảo quản mát trong tủ lạnh có nhiệt độ ~ 4˚C. Kiểm tra lại pH của các mẫu nước. Nếu các mẫu nước có pH > 2, cần thêm ngay axit để có pH < 2. Đối với mẫu phân tích Hg cần axit hóa bằng HNO3 đặc còn mẫu phân tích asen cần axit hóa bằng HCl đặc. 2.4. Phương pháp xử lý mẫu động vật nhuyễn thể. Có 2 phương pháp xử lý mẫu ướt cơ bản hiện nay là xử lý mẫu trong hệ hở và xử lý mẫu hệ kín (lò vi sóng). Do thiếu thiết bị xử lý mẫu trong lò vi sóng, nên trong luận văn tốt nghiệp này chúng tôi chủ yếu nghiên cứu một số quy trình xử lý mẫu trong hệ hở theo các tài liệu tham khảo khác nhau để đánh gía hiệu suất thu hồi của phương pháp. Quy trình 1: [21] Cân 0,5g mẫu ốc đã xay mịn, sấy khô trên cân phân tích có độ chính xác ±0,0001g chuyển vào bình Kendal 250 ml có cắm phễu lọc nhỏ. Thêm 5 ml axit HNO3 đặc đun nóng tới 70 – 90 oC tới khi mẫu tan hết thành dung dịch có màu vàng. Tăng dần nhiệt độ tới 135 oC rồi nhỏ từng giọt H2O2 vào để oxy hóa mẫu. Sau đó để nguội mẫu chuyển ra cốc cô cạn đến muối ẩm, hòa tan muối ẩm, lọc bỏ cặn silicat, định mức thành 50 ml dung dịch bằng dung dịch HNO3 2%. Quy trình 2: [29] Cân 0,5g mẫu ốc đã xay mịn, sấy khô trên cân phân tích có độ chính xác ±0,0001g chuyển vào bình Kendal 250 ml có cắm phễu lọc nhỏ. Thêm 5 ml axit HNO3 đặc đun cách cát (nhiệt độ khoảng 200 oC ) trong 3h, để nguội thêm 2 ml H2O2 đặc và 1 ml HClO4 1:1 đun tiếp đến khi mẫu tan hết được dung dịch có màu vàng. Sau đó thêm từng lượng nhỏ H2O2 để loại bỏ bớt axit dư và đuổi khí NO2 được dung dịch trong suốt. Cuối cùng cô cạn đến muối ẩm, hòa tan muối ẩm, lọc bỏ cặn silicat, đem định mức thành 50 ml dung dịch mẫu bằng dung dịch HNO3 2%. Quy trình 3:[ 35] Cân 0,5g mẫu ốc đã xay mịn, sấy khô trên cân phân tích có độ chính xác ±0,0001g chuyển vào bình Kendal 250 ml có cắm phễu lọc nhỏ. Thêm 3 ml axit HNO3 đặc đun ở 95 oC trong 1h, để nguội thêm 1 ml axit H2SO4 đặc đun ở nhiệt độ 140 oC trong 30 phút. Sau đó để nguội, thêm tiếp 2 ml HNO3 đặc đun ở nhiệt độ 200 oC cho tới khi mẫu tan hết. Thêm 3 ml H2O2 đun tiếp ở 200 oC đuổi hết khói mầu nâu (NO2), để nguội thêm 10 ml H2O, 1 ml H2O2 đun ở nhiệt độ 240 oC cho tới khi khói trắng xuất hiện, để nguội đem lọc bỏ cặn silicat, định mức thành 50ml dung dịch mẫu bằng axit HNO3 2 %. 2.5. Xử lý mẫu trầm tích Qui trình phá mẫu hệ hở được tiến hành theo Tessieretal [31]: Xử lý mẫu đất, trầm tích để xác định hàm lượng tổng các kim loại được tiến hành theo quy trình sau: Cân khoảng 0,2 gam mẫu trên cân phân tích có độ chính xác ± 0,0001 gam đã được xử lý sơ bộ vào cốc teflon dung tích 50 ml. Thêm 4 ml HNO3 đặc, 6 giọt H2O2 đặc đun ở 900C trong vòng 3 giờ. Để nguội cốc, sau đó thêm 3ml HF đặc, đun trong 1 giờ. Thêm tiếp 1ml HClO4 1:1 đun tiếp trong 1 giờ, đến khi khói trắng bay ra. Để nguội, lọc rửa phần cặn không tan rồi thu dịch lọc vào bình định mức 50 ml, thêm 0,75 ml HNO3 đặc và định mức đến vạch bằng nước cất 2 lần. 2.6. Xử lý mẫu thực vật Cân 0,2g mẫu thực vật đã nghiền nhỏ, sấy khô trên cân phân tích có độ chính xác ±0,0001g chuyển vào bình Kendal 250 ml có cắm phễu lọc nhỏ. Thêm 3 ml axit HNO3 đặc đun ở 95 oC trong 1h, để nguội thêm 1 ml axit H2SO4 đặc đun ở nhiệt độ 140 oC trong 30 phút. Sau đó để nguội thêm tiếp 2 ml HNO3 đặc đun ở nhiệt độ 200 oC cho tới khi mẫu tan hết. Thêm 3 ml H2O2 đun tiếp ở 200 oC đuổi hết khói mầu nâu (NO2), để nguội, thêm 10 ml H2O, 1 ml H2O2 đun ở nhiệt độ 240 oC cho tới khi khói trắng xuất hiện, để nguội, lọc bỏ cặn silicat, định mức thành 50ml dung dịch mẫu bằng axit HNO3 2%. [ 35] 2.7. Xử lý thống kê số liệu phân tích [16] 2.7.1 Phân tích thành phần chính (PCA) Phân tích thành phần (cấu tử) chính là công cụ hữu hiệu cho phép giảm số biến trong tập số liệu nhằm đạt được biểu diễn hai chiều từ tập số liệu đa chiều bằng cách tìm ra giá trị phương sai lớn nhất với số thành phần chính (PC) hay các biến ảo ít nhất. Nói cách khác PCA là thuật toán đa biến dựa trên việc quay các trục số liệu chứa các biến tối ưu. Khi đó, một tập hợp các biến liên quan với nhau được chuyển thành tập hợp các biến không liên quan và được sắp xếp theo thứ tự giảm độ biến thiên hay phương sai. Những biến không liên quan này là sự kết hợp tuyến tính các biến ban đầu. Dựa trên phương sai do mỗi biến mới gây ra có thể loại bỏ bớt các biến phía cuối dãy mà chỉ mất ít nhất thông tin về các số liệu thực ban đầu. Bằng cách này sẽ giảm được kích thước của tập số liệu trong khi vẫn có thể giữ nguyên thông tin. Trong thuật toán PCA, có thể có nhiều PC vì có nhiều biến trong tập số liệu. Số PC tối đa bằng số biến. Việc dùng PCA có thể tóm lược được cấu trúc đồng phương sai với tập số liệu có kích thước nhỏ hơn, mà không làm mất đi ý nghĩa của tập số liệu ban đầu. Có thể sử dụng tập số liệu mới này trong tính toán để thay thế cho tập số cũ. PCA được ứng dụng chủ yếu trong việc giảm kích thước tập số liệu, từ biểu diễn n chiều trong không gian thành biểu diễn hai hoặc 3 chiều với số biến có ảnh hưởng chính đến tập số liệu. PCA loại bỏ sự đa cộng tính giữa các biến trong việc xây dựng phương trình hồi qui biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu phân tích vào các biến là nồng độ các thành phầntrong hệ. Phương pháp này có tên gọi là hồi qui thành phần chính. Từ tập số liệu với n biến ban đầu có liên quan mật thiết với nhau, sau khi giảm thành p biến không liên quan thì trị riêng của chúng có thể sử dụng làm số liệu đầu vào của phương pháp hồi qui kết hợp với mạng noron nhân tạo giải bài toán phân tích đồng thời các thành phần trong hệ có tương tác không cộng tính. Nếu xem các số liệu phân tích trong tập số liệu là kết quả phân tích lặp lại thì PCA cho phép tìm được sai số thô trong số các kết quả phân tích. Tuy nhiên PCA đơn thuần là phương pháp toán học nên các kết quả thu được bị ảnh hưởng rất lớn bởi tập số liệu ban đầu, vì vậy cần kết hợp với những kiến thức chuyên ngành khác nếu không sẽ dẫn đến những giải nghĩa sai lệch. 2.7.2 Phân tích nhóm (CA) Phân tích nhóm là kỹ thuật phân tích đa biến nhằm phân loại những số liệu có đặc tính giống nhau thành các nhóm hay còn gọi là các cụm. Hai loại phân tích nhóm thường được sử dụng là: phân tích nhóm theo bậc và phân tích nhóm k – trung bình. Phân tích nhóm theo bậc là cách để tìm ra các nhóm trong tập số liệu bằng cách tạo ra cây phân nhóm. Cây phân nhóm gồm nhiều bậc trong đó nhóm ở một mức được nối với với nhóm bên cạch ở mức cao hơn. Điều đó cho phép quyết định mức hoặc thang chia nào của nhóm là phù hợp hơn. Nhóm theo bậc nhằm tìm ra các nhóm trong tập số liệu bằng cách tạo ra cây phân nhóm. Theo phương pháp này, tập số liệu lớn được chia thành các tập số liệu nhỏ hơn nữa cho đến khi mỗi tập số liệu nhỏ chỉ còn một phần tử. Cây phân nhóm gồm nhiều bậc trong đó nhóm ở một mức được nối với với nhóm bên cạch ở mức cao hơn. Điều đó cho phép quyết định mức hoặc thang chia nào của nhóm là phù hợp hơn. Nhóm theo k - trung bình: các phần tử trong tập số liệu được tách vào k nhóm, các phần tử cùng nhóm được kết hợp với nhau và các nhóm khác nhau được tách ra khỏi nhau. 2.7.3. Phần mềm máy tính Các số liệu phân tích lặp lại, phân tích hồi qui, xử lý thống kê đa biến (multivariate analysis), hoặc đồ thị biểu diễn qui luật phân bố các đại lượng được xử lý bằng phần mềm MINITAB 15. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tối ưu hoá điều kiện phân tích bằng ICP-MS 3.1.1. Chọn đồng vị phân tích Trong tự nhiên, các nguyên tố hóa học thường có một số đồng vị. Trong phép phân tích ICP-MS người ta thường chọn đồng vị dựa trên ba tiêu chí: + Phải là một trong những đồng vị phổ biến nhất trong tự nhiên + Ảnh hưởng bởi sự chèn khối phải không có hoặc bé nhất + Sự hiệu chỉnh ảnh hưởng của các mảnh ion oxít phải đơn giản và càng ít bước càng tốt. Tuỳ theo sự phức tạp của nền mẫu mà có thể chọn các đồng vị phân tích khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các tác giả đều thống nhất trong việc lựa chọn số khối phân tích như trong bảng dưới đây (bảng 7), chúng tôi cũng chọn các số khối phân tích này. Bảng 7: Tỷ số khối lượng/điện tích (M/Z) của các kim loại cần phân tích STT Nguyên tố Ký hiệu M/Z STT Nguyên tố Ký hiệu M/Z 1 Crôm Cr 52 7 Kẽm Zn 66 2 Mangan Mn 55 8 Cadmi Cd 111 3 Sắt Fe 57 9 Chì Pb 208 4 Coban Co 59 10 Asen As 75 5 Niken Ni 60 11 Thủy ngân Hg 202 6 Đồng Cu 63 Khi phân tích, máy chỉ thu tín hiệu của các đồng vị đã chọn theo nguyên tắc phân giải khối bằng bộ phân chia tứ cực. 3.1.2. Độ sâu mẫu (Sample Depth - SDe): SDe là khoảng cách giữa đỉnh cone giao diện đến bên phải vòng dây tạo plasma (hình 9). Hình 9: Độ sâu mẫu của máy ICP - MS SDe có ảnh hưởng đến nhiều đại lượng trong đó có cường độ vạch phổ. Khi tăng giá trị SDe cường độ vạch phổ giảm dần. Kết quả cho thấy khi công suất cao tần RF lớn từ 1200W trở lên thì cường độ vạch phổ giảm nhanh hơn. Trong phép phân tích chúng tôi chọn độ sâu mẫu là 3 mm. 3.1.3. Công suất cao tần (Radio Frequency Power - RFP): RFP là công suất điện tần số radio cung cấp cho cuộn dây tạo plasma. Công suất càng lớn nhiệt độ ngọn lửa plasma càng lớn và ngược lại. Khi tăng dần công suất RF cường độ vạch phổ tăng dần nhưng đến một giá trị RFP nào đó cường độ vạch phổ lại giảm và sau đó không thay đổi. Trong phép phân tích chúng tôi chọn cường độ cao tần là 1000 W. 3.1.4. Lưu lượng khí mang (Carier Gas Flow Rate - CGFR): CRFG có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhạy của phương pháp ICP-MS. CGFR lớn lượng mẫu được đưa vào vùng plasma lớn và ngược lại. Điều này dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên một đơn vị nồng độ tăng hoặc giảm, dẫn đến ảnh hưởng độ nhạy của phép phân tích. Tuy nhiên không phải khi tăng CGFR là cường độ vạch phổ tăng, hoặc khi giảm CGFR là cường độ vạch phổ giảm. Sự tăng hay giảm chỉ nằm trong một phạm vi nhất định và còn tuỳ thuộc vào nhiều thông số khác. Kết quả thực nghiệm thu được tốt nhất khi lưu lượng khí mang là 2,0 l/phút. 3.1.5. Tóm tắt các thông số tối ưu của thiết bị phân tích Bảng 8 là các thông số tối ưu của máy đo ICP-MS đã khảo sát và lựa chọn Bảng8: Các thông số tối ưu cho máy đo ICP-MS Tốc độ khí Nebulizer 0,85 L/phút Tốc độ khí phụ trợ 2,0 L/phút Lưu lượng khí tạo plasma 15,0 L/phút Áp suất chân không (khi đo mẫu) 1,0 -1,2. 10-5 Torr Áp suất chân không (khi để máy Standby) 2,0 – 3,0. 10-6 Torr Tốc độ bơm rửa 48 vòng/phút Tốc độ bơm mẫu 26 vòng/phút Nhiệt độ nước làm mát 200C Công suất nước làm mát 1750W Công suất máy phát cao tần RF 1000W Thế của các lăng kính 5,75V Thế xung cấp 1000V Số lần quét khối 10 lần Thời gian đo cho 1 lần 5,8 giây Độ sâu mẫu 3 mm Thời gian bơm làm sạch 120 (giây) Tốc độ bơm ổn định 0,1 (vòng/giây) Thời gian bơm ổn định 30 (s) Nước làm mát 2,4 (lít/phút) Số lần đo lặp cho 1 điểm 3 (lần) 3.2. Đánh giá phương pháp phân tích 3.2.1. Khoảng tuyến tính Trong phép đo ICP-MS, việc định lượng một nguyên tố dựa vào phương trình cơ bản: Ims = K.Cb Trong đó: Ims: Cường độ (số đếm/giây, CPS) của vạch phổ K: Hằng số thực nghiệm C: Nồng độ của nguyên tố trong dung dịch mẫu phân tích b: Hằng số (0 <b ≤1) Trong một khoảng nồng độ nào đó thì b có giá trị bằng 1. Khi đó, mối quan hệ giữa Ims và C là tuyến tính: Ims = K.C Khoảng nồng độ này gọi là khoảng tuyến tính của nồng độ nguyên tố phân tích. Khoảng tuyến tính của mỗi nguyên tố ở mỗi số khối (m/z) khác nhau là khác nhau. Số khối phân tích nào có cường độ (CPS) càng lớn thì khoảng tuyến tính càng hẹp. Do đó, để xác định các nguyên tố kim loại nặng ta phải xây dựng đường chuẩn để xác định khoảng tuyến tính của phép đo. Tuy nhiên, trong phương pháp ICP-MS, tín hiệu của phép đo (CPS) có thể thay đổi trong khoảng giá trị rất lớn (từ vài CPS đến bão hoà, 4.109 CPS) nên khoảng tuyến tính của phép đo rất rộng (từ vài ppt đến vài chục hay vài trăm ppm). Do đó, đối với phép đo ICP-MS người ta thường không chú ý nhiều đến khoảng tuyến tính. Vì vậy trong đề tài luận văn này chúng tôi không nghiên cứu đến khoảng tuyến tính mà chỉ xây dựng đường chuẩ