Tối ưu hoá thực nghiệm xác định Arsen trong nước ngầm bằng phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật Hydrua hoá

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 74 TỐI ƯU HOÁ THỰC NGHIỆM XÁC ĐNNH ARSEN TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHÉP ĐO QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KỸ THUẬT HYDRUA HOÁ Nguyễn Đăng Đức - Đỗ Minh Tâm (Khoa KH Tự nhiên &Xã hội, ĐH Thái Nguyên) - Nguyễn Thị Hạnh (Trung tâm Y tế Dự phòng Thái Nguyên) Trong giới hạn bài viết này, chúng tôi đã nghiên cứu các điều kiện đo phổ, khảo sát ảnh hưởng các cation và điều kiện khử As(V) về As(III) để xác định hàm lượng Asen. Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật Hyđrua hóa trong mẫu chuNn và so sánh kết quả đo được với phép đo GF – Aas cho thấy kết quả thu được là chính xác. Từ đó, chúng tôi tiến hành xác định As trong nước ngầm ở thành phố Thái Nguyên. 1. Mở đầu Arsen và các hợp chất chứa Arsen là nguyên nhân gây nhiễm độc Arsen qua da hoặc phổi của những người tiếp xúc với nguồn chứa Arsen [1, 2]. Các quá trình luyện kim, sử dụng thuốc trừ sâu, diệt cỏ chứa Arsen, chất thải xử lý gỗ, sản xuất vũ khí đạn dược . có thể thải loại trực tiếp Arsen ra môi trường [2,3]. Việc xác định lượng vết Arsen trong nước ngầm là cần thiết để qua đó đưa ra những cảnh báo kịp thời về tình trạng nhiễm độc Arsen, từ đó có biện pháp xử lý đúng đắn. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật hydrua hoá (HGAAS) và quang phổ hấp thụ nguyên tử lò graphite (GFAAS) thường được sử dụng cho mục đích này[4]. Việc chuNn hoá trang bị của phép đo và chính xác hoá các kết quả thực nghiệm đòi hỏi quá trình tối ưu hoá thực nghiệm [5]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành tối ưu hoá quá trình hydrua hoá - giai đoạn quan trọng trước khi nguyên tử hoá - Arsine hoá hoàn toàn Arsen có trong dung dịch cùng với quá trình nguyên tử hoá tuyệt đối sẽ cho phép định lượng chính xác nồng độ thực của nguyên tố phân tích. Chúng tôi sử dụng mô hình bậc 1 đầy đủ với 24 = 16 thực nghiệm cho bốn nhân tố bao gồm: tốc độ dẫn mẫu, tốc độ dẫn NaBH4 và HCl, nồng độ NaBH4, nồng độ HCl. Yếu tố ngẫu nhiên được sử dụng để tránh sai số hệ thống không biết. Mô hình thu được dùng để đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố, sau đó tối ưu hoá tiến trình thực nghiệm và dự đoán giá trị mục tiêu cho những thí nghiệm tưởng tượng. 2. Thực nghiệm * Hóa chất và thiết bị Các dung dịch chuNn As(III) – 1000 ppb (Fluka); NaBH4 rắn (Fluka), NaOH rắn (Merck); các dung dịch HCl 36%, H2SO4 98%, HNO3 65%, H2O2 30% (Merck); KI rắn (China); axít ascorbic 99.999% (La Roché); nước cất sử dụng là nước siêu tinh khiết Aquafina (Pepsico Việt Nam); Hệ thống quang phổ hấp thụ nguyên tử Shimadzu AA6300 (Nhật bản) đi kèm bộ HVG-1 và GFA đặt tại Phòng thí nghiệm Hoá, Trung tâm Y tế Dự phòng Tỉnh Thái Nguyên. * Tiến hành thực nghiệm a. Chu/n bị mẫu chu/n: lấy chính xác 50 ml mẫu As(V) nồng độ 100ppb vào bình định mức 100 ml thêm 2 ml HNO3 đặc, 2 ml H2SO4 đặc, 2 ml H2O2 30%, thêm 2 ml hỗn hợp KI 20% và axít ascorbic 30%, thêm 18 ml HCl đặc. Bước tiếp theo là đun nhẹ trên bếp cách thuỷ ở 40oC trong 20 phút, làm nguội dưới dòng nước lạnh trong khoảng 3 phút, định mức bằng nước cất đến vạch mức, đem đo ngay các mẫu chuNn. T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 75 b. Các thí nghiệm khảo sát: • Khảo sát các điều kiện đo phổ. • Khảo sát thành phần mẫu và ảnh hưởng của các cation. • Khảo sát các điều kiện khử As(V) về As(III). • Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tạo hydrua. c. So sánh kết quả đo được với phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử lò graphite (GFAAS) d. Xử lý số liệu thống kê và mô hình hoá thực nghiệm Sử dung các phần mềm Modde 6.0, Statistica Routine Plus 5.0 và Origin 7.0 3. Kết quả và thảo luận * Khảo sát các điều kiện đo phổ Tiến hành khảo sát các điều kiện đo phổ với nồng độ As không đổi (50ppb). Các kết quả được giới thiệu ở bảng 1. Kết quả thu được cho thấy bước sóng 193.7 nm có độ nhạy cao nhất; ở mức khe đo 0.7 nm thu được toàn bộ phổ và độ ổn định tốt nhất. Bảng 1: Các điều kiện đo phổ Điều kiện đo Giá trị lựa chọn Bước sóng (nm) 193.7 Khe đo (nm) 0.7 Chiều cao burner (mm) 17 Cường độ đèn (mA) 10 (83% Imax) Tốc độ khí cháy (l/phút) 2.0 * Ảnh hưởng của các cation Từ các kết quả khảo sát thu được ở bảng 2, có thể thấy ở mức nồng độ 100 ppm, các nguyên tố Cu, Cd, Pb, Fe, Mn có ảnh hưởng rất ít đến độ hấp thụ của Arsen. Khi nghiên cứu thành phần các mẫu nước đều cho thấy hàm lượng các kim loại này đều ở mức thấp hơn 100 ppm. Vì vậy, có thế kết luận các nguyên tố khảo sát trong các mẫu phân tích đều không ảnh hưởng đến độ hấp thụ Arsen. Bảng 2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng các cation Nồng độ (ppm) Độ hấp thụ As (Abs) khi có mặt các cation Mn2+ Fe2+ Cd2+ Cu2+ Pb2+ 0 0,3152 0,3150 0,3150 0,3155 0,3150 50 0,3150 0,3140 0,3135 0,3140 0,3145 100 0,3140 0,3135 0,3130 0,3135 0,3130 * Khảo sát các điều kiện khử As(V) về As(III) Khi khảo sát độ hấp thụ Arsen trước và sau quá trình khử cho thấy các giá trị không chênh lệch nhiều. Kết quả thu được dẫn ra ở bảng 3. Bảng 3: Các điều kiện khử As(V) về As(III) Điều kiện khử Giá trị lựa chọn [KI] (%) 20 [Ascorbic acid] (% v/v) 30 VKI + ascorbic acid (ml) 2 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 76 Nhiệt độ khử ( oC) 40 Thời gian khử (phút) 20 Sau khi thu được kết quả, ta lập được các ma trận thực nghiệm. Kết quả được dẫn ra ở bảng 4. Bảng 4: Ma trận thực nghiệm và giá trị mục tiêu thu được Exp No Exp Name Run order Incl/Excl [NaBH4] [HCl] Toc do NaBH4 va HCl Toc do mau Do hap thu 1 N1 13 Incl 0.4 5 1 6.5 0.3712 2 N2 2 Incl 0.6 5 1 6.5 0.8845 3 N3 10 Incl 0.4 10 1 6.5 0.2598 4 N4 3 Incl 0.6 10 1 6.5 0.9177 5 N5 1 Incl 0.4 5 3.5 6.5 0.9438 6 N6 12 Incl 0.6 5 3.5 6.5 1.5725 7 N7 8 Incl 0.4 10 3.5 6.5 0.9904 8 N8 4 Incl 0.6 10 3.5 6.5 1.0008 9 N9 5 Incl 0.4 5 1 8 0.3739 10 N10 16 Incl 0.6 5 1 8 0.8199 11 N11 9 Incl 0.4 10 1 8 0.1929 12 N12 6 Incl 0.6 10 1 8 1.0001 13 N13 15 Incl 0.4 5 3.5 8 1.0763 14 N14 14 Incl 0.6 5 3.5 8 1.2728 15 N15 11 Incl 0.4 10 3.5 8 0.7846 16 N16 7 Incl 0.6 10 3.5 8 1.4166 * Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tạo hydrua Bộ HVG-1 có 3 đường dẫn 3 chất tạo thành được điều chỉnh tốc độ bởi roto và 2 vít: 1 vít chung cho NaBH4 và HCl, vít còn lại cho đường dẫn mẫu, nên tốc độ HCl và NaBH4 vào buồng phản ứng là như nhau. Nồng độ axít lớn sinh ra nhiều H2 dư, có thể tạo hỗn hợp khí nổ với O2 rất nguy hiểm. Thực tế, khi axít có nồng độ 10 mol/l, ngọn lửa có màu xanh và có tiếng nổ nhỏ, kèm theo độ hấp thụ nhiễu đến kết quả thực. Bảng ma trận thực nghiệm và giá trị mục tiêu (độ hấp thụ của dung dịch As(III) 50 ppb) chỉ ra ở bảng 4. Chúng tôi tiến hành nghiên cứu theo mô hình đầy đủ Fullfact 2, ở hai mức cao và thấp (bảng 5). Từ bảng phân tích phương sai ANOVA và kết quả phân tích hệ số và sai số tiêu chuNn cho các nhân tố và tương quan cho phép ta đưa ra mô hình (hàm mục tiêu) sau khi đã loại bỏ các hệ số không mang ý nghĩa(hình1). y = 0.867363 + 0.24325x1 + 0.264863x3 hay: y = 0.867363 + 0.24325A + 0.264863C T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 77 Investigation: banh' dau nha^n thit (MLR) 4D Response Surface of do hap thu nong do HCl = 7.5 toc do mau = 7.25 Hình 1: Mặt mục tiêu Bảng 5: Các nhân tố và mức nghiên cứu Nhân tố Mức Thấp (-) Cao (+) A: [NaBH4] (% m/v) 0.4 0.6 B: [HCl] (mol/L) 5.0 10.0 C: tốc độ NaBH4 (ml/phỳt) 1.0 3.5 D: tốc độ mẫu (ml/phút) 6.5 8.0 Hàm mục tiêu này (Hình 1) cho thấy hai nhân tố A và C, tức nồng độ NaBH4 và tốc độ dẫn NaBH4 (và HCl) tác động dương đến giá trị độ hấp thụ, trong khi các nhân tố và cặp nhân tố còn lại tác động âm, hoặc không ảnh hưởng đến độ hấp thụ của Arsen. Hình 2 (tác động của các yếu tố và cặp yếu tố lên mục tiêu qua tham số) và hình 3 (mức độ ảnh hưởng của các nhân tố lên mục tiêu) chỉ rõ điều này. Từ mô hình thu được, chúng tôi tiến hành kiểm định tính phù hợp của mô hình và tìm giá trị độ hấp thụ tối ưu cho thấy mô hình thu được phù hợp đúng với thực nghiệm. -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 C A A* C B B* C B* D A* B A* D C * D D Ef fe ct s Investigation: Khao sat cac yeu to anh huong phan ung tao hydrua (MLR) Effects for do hap thu N=16 R2=0.924 R2 Adj.=0.773 DF=5 Q2=0.226 RSD=0.1901 Conf. lev.=0.95 Hình 2: Tác động các yếu tố đến mục tiêu. Hình 3: Tác động các yếu tố đến mục tiêu qua tham số. Nhờ các kết quả nghiên cứu thu được (bảng 1, 2, 3, 4, 5) và hình 1, 2, 3 chúng tôi thu được các điều kiện tối ưu cho phép đo HG-AAS. Kết quả được dẫn ra như sau: Bảng 6: Điều kiện tối ưu của phép đo HGAAS -0.20 0.00 0.20 0.40 A B C D A* B A* C A* D B* C B* D C * D Ab s Investigation: Khao sat cac yeu to anh huong phan ung tao hydrua (MLR) Scaled & Centered Coefficients for do hap thu N=16 R2=0.924 R2 Adj.=0.773 DF=5 Q2=0.226 RSD=0.1901 Conf. lev.=0.95 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 78 Điều kiện Giá trị lựa chọn Điều kiện Giá trị lựa chọn Bước sóng (nm) 193.7 Thời gian chờ (s) 30 Khe đo (nm) 0.7 Thời gian đo (s) 20 Chiều cao burner (mm) 17 Thời gian rửa (s) 30 Cường độ đèn (mA) 10(75% Imax) [KI] (%) 20 Tốc độ khí cháy (l/phút) 2.0 [Ascorbic acid] (% v/v) 30 [NaBH4] (% m/v) 0.6 VKI + ascorbic acid (ml) 2 [HCl] (mol/l) 5 Nhiệt độ khử ( oC) 40 Tốc độ dẫn mẫu (ml/phút) 6.5 Thời gian khử (phút) 20 Tốc độ NaBH4,HCl (ml/phút) 3.5 Chúng tôi còn đo As(V) bằng GF- AAS và thấy rằng các kết quả đo được cũng tương tự nhau. Sử dụng kết quả nghiên cứu chúng tôi tiến hành xây dựng đường chuNn xác định As (kết quả dẫn ra ở bảng 8, hình 4). Bảng 7: Độ hấp thụ của dãy dung dịch chu/n Nồng độ dãy chuNn (ppb) 3 4 5 8 10 Độ hấp thụ (Abs) 0,0907 0,1253 0,1598 0,2497 0,3188 Hình 4. Đường chu/n xác định As Vận dụng các kết quả nghiên cứu chúng tôi xác định hàm lượng Arsen trong 4 mẫu nước ngầm và một mẫu nước mặt (nước khe) lấy tại làng Um, xã Phúc Hà, phường Thịnh Đán, thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên. Phân tích mẫu nước khe (V) 10 lần bằng cả hai phép đo đã cho thấy độ phù hợp đến trên 95%. Bảng 8: Kết quả phân tích hàm lượng Asen trong các mẫu nước ngầm Phương pháp Mẫu (ppb) LOD (ppb) LOQ (ppb) I II III IV V HGAAS 0.5923 0.3588 0.7556 0.1565 7.62450 0.1 0.3 GFAAS <LOD <LOD <LOD <LOD 7.62448 2.0 6.0 4. Kết luận Sau một thời gian nghiên cứu chúng tôi đã thu được các kết quả sau đây: T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 79 - Tìm được các điều kiện tối ưu cho phép đo Arsen bằng HGAAS, đặc biệt tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình tạo hydrua. - Mô hình hoá thành công và đưa ra hàm mục tiêu phù hợp thực nghiệm miêu tả chính xác ảnh hưởng của các nhân tố đến độ hấp thụ của Arsen. - Phương pháp HGAAS với các điều kiện tối ưu tìm được hoàn toàn phù hợp để xác định Arsen trong nước ngầm. - Phép đo HGAAS có sự phù hợp đến 95% với phép đo GFAAS. - Đã xác định được hàm lượng As trong một số mẫu nước ngầm ở thành phố Thái Nguyên với kết quả chính xác và tin cậy
. SUMMARY Optimize the experiment for the determination of Arsen content in groundwater by hydride generation atomic absorbtion spectroscopy. Analytical procedure for the determination of toxicologically relevant arsenic in groundwater samples by hydride generation atomic absorbtion spectroscopy combined with a factorial experimental design approach is elaborated. Four locally collected groundwater samples were analyzed for arsenic content using factorial experimental design (FED) with HGAAS. Four factors (the reduction agent flow (the acid flow), the sample flow, the reductor concentration and the acid concentration) in two levels (low and high) were used in this optimization process. In order to design the response surface, four levels of central composite with 12 central points were down-selected. The characteristic volume, characteristic concentration and limit of detection (3.27 σ) are 20 µL, 0.1 ppb, 0.3 ppb, respectively. The results were compared with those determined by graphite atomic absorbtion spectroscopy (GFAAS) and a 95% confidence interval was obtained. The HGAAS and GFAAS measurement sensitivies determined arsenic levels of 0.3 ppb and 6.0 ppb respectively. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Blakely M. Adair, Edward E. Hudgens, Michael T. Schmitt, Rebecca L. Calderon, David J. Thomas (2006), Total arsenic concentrations in toenails quantified by two techniques provide a useful biomarker of chronic arsenic exposure in drinking water, Environmental Research, Vol. 101, p. 213-220 [2]. Eid I. Brima, Parvez I. Haris, Richard O. Jenkins, Dave A. Polya, Andrew G. Gault, Chris F. Harrington (2006), Understanding arsenic metabolism through a comparative study of arsenic levels in the urine, hair, and fingernails of healthy volunteers from three unexposed ethnic groups in the United Kingdom, Toxicology and Applied Pharmacology, Vol. 216, p. 122-130. [3].P.Niedzielski, J.Siepak, M.Siepak (2001), Total content of Arsenic, Antimony and Selenium in groundwater samples from Western Poland, Polish Journal of Environmental Studies, Vol. 10, No.5, p. 347-350,. [4]. A. Tang, G. Ding, X. Yan (2005), Cloud point extraction for the determination of As(III) in water samples by electrothermal atomic absorption spectrometry, Vol. 67, p. 942 – 946. [5]. Jemmla Meira Trindade, Aldalộa Lopes Marques, Gisele Simone Lopes, Edmar Pereira marques, Jiujun Zhang (200, Arsenic determination in gasoline by hydride generation atomic absorption spectroscopy combined with a fractorial experimental design approach, Vol. 85, p. 2155-2161.