Đang tải... (xem toàn văn)
Tổng quan: xác định tổng ARSEN vô cơ bằng tổng ARSEN hữu cơ trong thủy hải sản
CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Tóm tắt lịch sử nguyên tố Arsen [20] Nguyên tố Arsen học giả kiêm nhà giả kim người Đức Albertus Magnus (1193-1280) phát Một số dạng hóa học khác Arsen bắt đầu phát hóa học tách khỏi thuật giả kim vào kỷ 18 Arsen có lẽ nguyên tố lập kỷ lục có mối liên hệ tệ với người dùng chất độc người bắt đầu quan tâm đến hóa học Lý arsen dùng phổ biến tính sẵn có, rẻ tiền, không màu, không mùi Đến cuối kỷ 19, arsen khơng cịn dùng làm độc dược nhiều phát triển phương pháp xác định Arsen có độ nhạy độ tin cậy cao Marsh thực năm 1836 1.2 Tính chất Arsen [20] Arsen tồn nhiều dạng vô hữu khác Những dạng quan trọng để đánh giá sức khỏe người trình bày bảng 1.1 Arsen nguyên tố có mặt khắp nơi, có tính chất kim Hóa học arsen phức tạp có nhiều hợp chất khác arsen hữu arsen vơ Trong tự nhiên, tồn số dạng khoáng, chủ yếu dạng arsenide đồng, kẽm, nickel, sắt, hay dạng arsenic sulfide hay oxide Trong nước, arsen thường tồn dạng arsenite hay arsenate Các hợp chất arsen bị methyl hóa xuất tự nhiên mơi trường kết hoạt động sinh học Hợp chất phổ biến nhất, arsenic (III) oxide, sản phẩm phụ q trình nóng chảy quặng đồng hay quặng chì 1.2.1 Hợp chất arsen vô Hợp chất phổ biến arsenic (III) oxide, công thức phân tử chung As4O6, chịu nhiệt độ đến 1073 0C, sản phẩm phụ trình sản xuất đồng Arsen arsenide kim loại hay arsenic sulfide bị bay oxy hóa q trình đốt nóng quặng ngưng tụ dạng trioxide Than chứa arsen đốt nóng sinh oxide arsen (III) Oxide arsen có điểm sôi thấp (465 0C) thăng hoa nhiệt độ thấp Áp suất khí nhiệt độ thường lớn đặc điểm quan trọng ảnh hưởng đến phân bố di chuyển arsen mơi trường Khả hịa tan As2O3 chậm, khoảng % 25 0C 8.2 % 98 0C, dung dịch có tính acid nhẹ chứa acid arsenous (H3AsO3) As2O3 dễ hòa tan acid HCl hay dung dịch kiềm Ở dạng dung dịch, arsen thường dạng arsenate hay arsenite Arsen vô hóa trị bao gồm As2O5, acid arsenic hợp chất arsenate chì arsenate, calcium arsenate Sodium arsenite sodium arsenate dễ tan nước Trạng thái chuyển đổi hóa trị xảy dung dịch nước, tùy thuộc vào độ pH có mặt chất khác mà arsen bị oxy hóa hay khử Kim loại kiềm thổ kết hợp với anion arsenate tạo thành dạng muối tan, arsen có khuynh hướng tạo thành kết tủa kết hợp với phosphate 1.2.2 Hợp chất arsen hữu Hóa học arsen hữu phong phú đa dạng Liên kết C-As ổn định điều kiện pH trạng thái oxy hóa mơi trường Một số hợp chất methylarsenic dimethylarsine, trimethylarsine kết hoạt động sinh học Trong nước, chất bị oxy hóa thành acid methylarsenic tương ứng Những hợp chất arsen hữu khác arsenobetaine, arsenocholine, thường tìm thấy hải sản có khả chịu suy biến hóa học Acid methylarsonic 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, phản ứng quan trọng phân tích Bảng 1.1 – Một số hợp chất arsen vô hữu thông dụng Tên Viết tắt Cơng 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 AB-2 (CH3)3As+CH2CH2COO- Arsenocholine AC (CH3)3As+CH2CH2OH Trimethylarsine TMAIII (CH3)3As Arsine AsH3, MeAsH2, Me2AsH Ethylmethylarsine EtxAsMe3-x (CH3)xAsH3-x (x=0-3) (CH3CH2)xAs(CH3)3-x (x=0-3) Phenylarsonic acid PAA C6H5AsO(OH)2 Hình 1.1 – Một số hợp chất arsen hữu phát mơi trường biển Dạng in mờ phát môi trường cạn 1.3 Các nguồn gốc gây ô nhiễm môi trường [20] 1.3.1 Công nghiệp Hai công nghiệp chủ yếu làm arsen bị nhiễm vào khơng khí, nước đất q trình làm nóng chảy kim loại màu sản xuất lượng từ nhiên liệu hình thành từ xác động vật bị phân hủy Các nguồn gây nhiễm khác sản xuất tiêu thụ thuốc trừ sâu chứa arsen chất bảo quản gỗ Một nguyên nhân gây nhiễm arsen vào đất, vào hệ thống nước ngầm, phế phẩm từ cơng nghiệp khai thác mỏ kim loại 1.3.2 Nông nghiệp Trước năm 1960, arsen vơ chì arsenate, canxi arsenate, đồng acetoarsenite dùng rộng rãi nông nghiệp Ngày nay, số arsen hữu (MMA, DMA) sử dụng 1.3.3 Quân Khí Lewisite (C2H2AsCl3) dùng Chiến tranh giới thứ I, có tính sát thương cao gây bỏng da khó chữa Một số hợp chất arsen dùng để trấn áp đám đông đặc tính gây kích ứng da mắt Acid dimethylarsinic, chất gây rụng dùng chiến tranh Việt Nam 1.3.4 Sản xuất ứng dụng Arsen sản xuất chủ yếu dựa vào trình thu hồi sản phẩm phụ làm nóng chảy quặng đồng, chì, coban vàng Arsen chủ yếu dùng công nghiệp điện tử, luyện kim, nông nghiệp dùng làm thuốc trừ sâu, thuốc gây rụng lá, chất bảo quản gỗ Ngồi ra, arsen cịn ứng dụng 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 indium arsenide dùng làm tế bào lượng mặt trời, tế bào quang điện, chất bán dẫn, diode phát sáng 1.4 Sự phân bố arsen mơi trường [25] Có dạng biến đổi sinh học chủ yếu arsen mơi trường: - Q trình oxy hóa arsenite arsenate - Q trình khử methyl hóa arsen - Quá trình tổng hợp sinh học dạng arsen hữu Arsen phân bố chủ yếu môi trường nước Đối với nước bị oxy hóa, arsen tồn chủ yếu dạng arsenate, môi trường khử, ví dụ nước giếng sâu, dạng arsenite chiếm ưu Sự methyl hóa arsen vơ thành acid methylarsenic acid dimethylarsenic liên quan đến hoạt động sinh học mơi trường nước Một số lồi sinh vật biển tham gia vào trình chuyển đổi arsen vô thành hợp chất hữu phức tạp arsenobetaine, arsenocholine, arsoniumphospholipid Trong môi trường đất bị oxy hóa, arsen vơ tồn dạng arsen (V), mơi trường khử tồn dạng arsen (III) Có nhiều chứng methyl hóa sinh học đất q trình giải phóng methylarsine vào khơng khí Hợp chất arsen methyl hóa phát khí nhà kính Tuy nhiên arsen dạng khí tồn chủ yếu dạng vơ Hóa học arsen vô môi trường nước, đặc biệt pH oxygen phức tạp Một đặc điểm quan trọng, điều kiện lượng khí CO2 cao, muối arsenate phân ly thành acid arsenic [As(V)]: H3AsO4, H2AsO4-, HAsO42-, AsO43- Tuy nhiên, mơi trường khử nhẹ hình thành dạng acid arsenous [As (III)]: H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32- Acid arsenic độc dạng arsen vô cơ, acid arsenous độc không phép tồn thể sống Một số lớn phản ứng sinh học hóa học, oxy hóa khử, hấp phụ, kết tủa, methyl hóa hóa tham gia tích cực vào chu kỳ hoạt động nguyên tố (Hình 1.2) Các phản ứng kiểm sốt có mặt arsen mơi trường Do đó, arsen gây hại cho người từ số dạng arsen khơng phải tổng dạng arsen Hình 1.2 – Chu trình Arsen mơi trường Các phản ứng hóa học q trình vật lý đất – nước cặn bùn – đá ảnh hưởng đến trình vận chuyển, phân bố arsen mơi trường Lượng oxy kiểm sốt phản ứng oxy hóa khử arsenate – arsenite Sự hấp thu kết tủa arsenate arsenite ngăn chặn hoạt động arsen hịa tan Sự giải phóng arsenic từ đá bùn lắng hay hòa tan trình oxy hóa arsenopyrite (FeAsS) chuyển hóa arsen vào mơi trường Sự methyl hóa arsenite thành monomethylarsonic acid (MMA) hay dimethylarsinic acid (DMA) hình thành hợp chất arsen hữu đóng góp vào phản ứng sinh học chủ yếu chu trình arsen 1.5 Nguồn gốc arsen hải sản [13] Trong nước biển thường chứa arsen với hàm lượng khoảng – μg/L (WHO, 2001) Hàm lượng gần không đổi mực nước biển sâu, nước bề mặt hàm lượng thay đổi theo mùa Quá trình khử methyl hóa vi sinh vật xảy vùng có nhiều ánh sáng, tầng đại dương mà ánh sáng mặt trời xuyên qua để thực trình quang hợp Hầu hết arsen vơ có thể sinh vật biển khơng phải từ nước biển Ngược lại, nguồn arsen chủ yếu từ thức ăn, q trình tích lũy tương ứng với chuỗi trao đổi chất xảy arsen tham gia vào chuỗi thức ăn Chuỗi trao đổi chất sinh vật phù du (rong rêu, tảo) hấp thu arsenate từ nước biển qua hệ thống màng trao đổi chất Sau hấp thu, tảo nhanh chóng khử độc arsenate thơng qua phản ứng khử methyl hóa tạo thành dạng đường chứa arsen lượng nhỏ DMA hợp chất arsen khác Lượng arsen tảo lớn gấp 1000 đến 10 000 lần so với nước biển Trong sinh vật biển, dạng arsen chủ yếu arsenobetaine, hợp chất As(V) chứa nhóm methyl AB có khắp nơi mơi trường biển, đặc biệt lồi hải sản mà người dùng làm thực phẩm Các nghiên cứu cho thấy sinh vật biển cấp cao không tổng hợp arsenobetaine từ arsenate Đó lồi tảo chết bị phân hủy giải phóng arsenosugar vào mơi trường nước trầm tích, nhờ lồi vi khuẩn chuyển hóa thành arsenobetaine, từ vào thể sinh vật biển Các thí nghiệm cho thấy vi khuẩn nước biển chuyển hóa MMA DMA (trừ arsenate) thành AB 1.6 Độc tính Độc tính arsen thay đổi tùy thành phần cấu trúc hóa học Hầu hết hợp chất arsen độc, độc tính khác nhiều Các dạng arsen chủ yếu tìm thấy hải sản là: As(V), As(III), MMA, DMA, TMAO, TMA, AC, AB Ngồi cịn có arsenosugar arsenolipid Dạng arsenosugar chiếm số lượng lớn bao gồm glycerosulfonate, glycerosulfate, glycerol glycerophosphate dimethylarsinylriboside Dạng arsen độc hại thực phẩm arsen vô Các dạng arsen hữu khác có độ độc thấp nhiều, số gần không độc hại As(III) tồn thể sống dạng liên kết với nhóm –SH protein đại phân tử, làm ức chế enzyme trao đổi chất gây ngộ độc cấp tính Triệu chứng ngộ độ arsen khơng phụ thuộc vào dạng arsen vơ tồn tại, có lẽ kết trình chuyển đổi qua lại As(III) As(V) phản ứng oxy hóa khử thể sống Do đó, việc phân biệt hai dạng arsen vô không cần thiết Kết là, việc dự đoán mối nguy sức khỏe người từ việc dùng hải sản phụ thuộc vào lượng arsen vô tiêu thụ qua thức ăn [24] Arsen gây bệnh tim mạch, da liễu, huyết học, gan, thận Arsen gây ung thư phận sinh dục, phận tiết niệu, quan hô hấp da.[22] Liều độc gây chết LD50 (g/kg thể trọng) số dạng arsen môi trường thể bảng 1.2 Dạng trimethyl không độc Arsenocholine trimethylarsine oxide độc As(III) 200 đến 300 lần Arsenobetaine thường tìm thấy hải sản dạng độc nhất, khơng thể xác định xác LD50 độc tính q thấp (> 10 g kg-1) Độc tính As(III) chứng minh liên kết với nhóm thiol protein hoạt động sinh học làm ức chế enzyme trao đổi chất Bảng 1.2 – Giá trị LD50 dạng arsen phổ biến [20] Hình 1.4 – Phương pháp định danh định lượng dạng arsen [20] 1.7.2.1 Phương pháp chiết dạng arsen Quy trình chiết thực cho hợp chất arsen không bị phân hủy hay chuyển đổi hóa học Các kỹ thuật chưa thể tách hết tất dạng arsen bước, cần thiết phải có kết hợp phương pháp tách với Các dung môi chiết arsen phổ biến methanol, hỗn hợp methanol/nước, acid phosphoric Dùng hỗn hợp methanol/ nước hay methanol làm dung dịch chiết có nhiều thuận lợi dạng hợp chất khác bị chiết methanol, dung môi dễ bay làm giàu mẫu Do đó, hiệu suất chiết đạt 90% chiết arsen sản phẩm thủy sản chứa nhiều arsenobetaine Tuy nhiên, methanol không dùng để chiết arsen vơ hiệu suất Phương pháp chiết chủ yếu lắc, siêu âm, chiết có kiểm sốt áp suất 1.7.2.2 Hệ sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) [36] HPLC phương pháp tách hữu hiệu cần lượng mẫu nhỏ liên kết với hệ thống phát khác Hai dạng sắc ký lỏng thường dùng để tách arsen sắc ký ghép cặp ion sắc ký trao đổi ion Sắc ký ghép cặp ion Sắc ký ghép cặp ion dùng để phân tích arsen trung tính arsen dạng ion Cả hai kỹ thuật sắc ký ghép cặp anion sắc ký ghép cặp cation phát triển để tách rời dạng arsen Tetrabutylammonium (TBA, dạng hydroxide phosphate) cation ghép cặp phổ biến để tách As(III), As(V), MMA DMA Độ phân giải arsen tùy thuộc vào nồng độ cation ghép cặp, tốc độ dòng, pH pha động Khoảng pH tối ưu để tách bốn hợp chất arsen 5-7 Đối với sắc ký ghép cặp anion, tác nhân ghép cặp tetraethylammonium hydroxide (TEAH) dùng để tách AB arsenosugar Phương pháp ứng dụng phân tích dạng chuyển hóa arsen nước tiểu sau dùng thực phẩm loài rong biển hay tảo biển nghiên cứu dạng arsen môi trường Sắc ký trao đổi ion Cả hai phương pháp sắc ký trao đổi cation sắc ký trao đổi anion dùng để phân tích dạng arsen Tùy thuộc vào đặc điểm ion hợp chất arsen, sắc ký trao đổi anion dùng phân tích As(III), As(V), MMA, DMA, trao đổi cation dùng phân tích AB, AC, trimethylarsine oxide (TMAO) 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 phương pháp tối ưu để phân tích đa ngun tố Đây cơng cụ hữu hiệu cho phép phát mức nồng độ thấp Nguồn ICP tạo plasma, dịng khí có lượng ion hóa cao hình thành từ ghép cặp cảm ứng khí trơ argon với từ trường tần số cao để tạo nên plasma ổn định, có nhiệt độ cao (6000-10000 oK) Khi mẫu đưa vào plasma nhiệt độ 10000 oK bị de-solvate hóa, hóa hơi, ngun tử hóa, kích thích ion hóa Các ngun tử, ion bị kích thích phát xạ bước sóng đặc trưng Bức xạ thu nhận chuyển thành tín hiệu điện tử Một số thuận lợi dùng ICP-OES: - Giới hạn phát thấp - Khơng có cản nhiễu hóa học - Ảnh hưởng tương tác nguyên tố cực thấp - Độ độ xác cao Các trình diễn plasma Sau trình phun sương, mẫu đưa vào plasma dạng sol khí Khi sol khí di chuyển vào plasma, hàng loạt trình xảy Các trình tóm tắt hình 1.5 Hình 1.5 – Sơ đồ trình diễn plasma Đầu tiên, hạt sol khí bị de-solvat hóa tạo thành hạt muối rắn Tiếp đó, hạt hóa sinh dạng phân tử pha khí Các phân tử bị nguyên tử hóa ion hóa Nếu nguyên tử phát xạ, theo định luật bảo toàn lượng, nguyên tử phải hấp thu lượng tương ứng từ nguồn cấp bên plasma Năng lượng chuyển hóa vào nguyên tử đưa electron lên trạng thái kích thích Các q trình kích thích chủ yếu chất phân tích bao gồm: - Sự va chạm electron: e- + M → M* + e - - Sự kết hợp xạ ion electron: M+ + e → M* + hν Sự phát xạ xảy nguyên tử trạng thái kích thích chuyển trạng thái lượng thấp giải phóng xạ photon 1.8.2 Thiết bị ICP-OES kỹ thuật phân tích nguyên tố sử dụng phổ phát từ nguyên tử hay ion tự tạo từ nguồn ICP Sơ đồ hệ thống ICP-OES tiêu biểu thể 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; đó, hai cách phổ biến dùng lực khí nén lực học siêu âm Hầu hết tạo sương dùng hệ ICP dạng khí nén, sử dụng dịng khí tốc độ cao tạo thành dạng phun sương Bộ tạo sương dùng lực khí nén phổ biến kỹ thuật phổ hấp thu nguyên tử lửa, dạng dùng ICP-OES, dạng đồng tâm (Hình 1.7) Hình 1.7 - Bộ tạo sương dạng đồng tâm dùng ICP-OES Ở dạng này, mẫu đưa vào thông qua ống mao quản đến vùng áp suất thấp tạo cho dịng khí thổi nhanh vào cuối ống mao quản Áp suất thấp dịng khí tốc độ cao phá vỡ dung dịch tạo thành dạng sương Hầu hết tạo sương dạng đồng tâm phổ biến (như Meinhard®) làm từ thủy tinh, dễ vỡ có khả bị ăn mòn dung dịch chứa acid HF Bơm Dịng chất lỏng vào tạo sương kiểm sốt bơm nhu động Mục đích bơm cung cấp dòng chất lỏng vào tạo sương bơm dòng thải khỏi buồng phun sương Các ống dây dùng bơm nhu động phải tương thích với dung dịch mẫu phải thường xuyên thay Buồng phun mẫu vào plasma Hạt sương mẫu sau sinh từ tạo sương di chuyển vào đuốc (torch) vào plasma Vì có lượng nhỏ mẫu tiêm vào plasma nên cần có thiết bị phun mẫu đặt tạo sương đuốc ICP Thiết bị phun mẫu tiêu biểu trình bày hình 1.8 Hình 1.8 - Buồng phun mẫu vào hệ ICP-OES Chức thiết bị phun mẫu loại bỏ lượng lớn giọt mẫu khỏi hệ sương Chức thứ hai làm phẳng xung xảy trình tạo sương, thường trình bơm mẫu Thiết bị phun mẫu thiết kế cho hạt có đường kính nhỏ 10 μm vào plasma Thông thường lượng mẫu vào plasma chiếm từ đến 5% lượng mẫu vào tạo sương, phần cịn lại theo ống dẫn thải ngồi 1.8.2.2 Nguồn phát xạ Ngọn đuốc (Torch) Ngọn đuốc gồm ba ống đồng tâm cho dòng argon dòng sương mẫu thổi qua (Hình 1.9) Khoảng cách hai ống ngồi hẹp để dịng khí thổi vào đạt tốc độ cao Vùng thiết kế để dịng khí xốy thẳng đứng vào Dịng khí có nhiệm vụ làm mát thành thạch anh đuốc, gọi dòng làm mát, dịng ngồi hay dịng plasma Với khí argon hệ ICP, tốc độ dịng plasma trung bình khoảng – 15 L/phút Hình 1.9 – Sơ đồ đuốc dùng hệ ICP-OES Vùng dịng ngồi dịng đưa khí trực tiếp vào plasma Dịng giữ cho q trình phóng điện tách xa khỏi ống trung gian ống tiêm mẫu đồng thời chuyển mẫu vào plasma dễ dàng Dòng gọi dịng bổ trợ, tốc độ trung bình khoảng 2-3 L/phút Dịng khí cuối đưa trực tiếp mẫu vào plasma gọi dòng mẫu, tốc độ dòng khoảng L/phút có chức dịng khí mang Nguồn phát tần số sóng radio (RF power) Nguồn phát tần số radio công cụ cung cấp lượng cho trình sản sinh trì phóng điện plasma Năng lượng này, thơng thường từ 500 – 1700 W, chuyển vào khí plasma qua cuộn tải quấn quanh đầu đuốc Cuộn tải, có nhiệm vụ truyền lượng RF đến plasma, làm dây đồng làm mát nước khí suốt q trình vận hành 1.8.2.3 Nguồn thu nhận phát xạ Hệ thống truyền quang Bức xạ phát từ vùng plasma (được gọi vùng phân tích thơng thường NAZ) vào vùng đo phổ Cho đến gần đây, vùng phân tích quan sát từ ... trình khử methyl hóa sinh học arsen vơ 1.7 Tổng qt phương pháp phân tích dạng arsen [20] 1.7.1 Phương pháp xác định tổng hàm lượng arsen Hầu hết phương pháp xác định As phải chuyển mẫu từ dạng rắn... pháp xác định dạng arsen Ngày nay, với phát triển kỹ thuật kết hợp định tính định lượng dạng arsen, hợp chất dùng để dự đốn độc tính arsen mẫu Hầu hết trường hợp cần phải tách trước xác định. .. tương ứng, phản ứng quan trọng phân tích Bảng 1.1 – Một số hợp chất arsen vô hữu thơng dụng Tên Viết tắt Cơng thức hóa học Arsenite (arsenous acid) AsIII As(OH)3 Arsenate (arsenic acid) AsV AsO(OH)3