Tổng quan : xác định tổng ARSEN vô cơ bằng tổng ARSEN hữu cơ trong thủy hải sản

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, khơng màu, khơng mùi. Đến cuối
thế kỷ 19, arsen khơng cịn 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
ngun 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 mơi trường
là kết quả của các hoạt động sinh học. Hợp chất phổ biến nhất, arsenic (III) oxide, là
sản phẩm phụ trong q 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


q 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 sơi 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 mơi trường.
Khả năng hịa 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 vơ 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 mơi 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 thơng 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 2

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 cơ được phát hiện trong mơi 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 khơng khí, nước và đất
là q 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 vơ 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 đơng 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... Ngồi
ra, arsen cịn được ứng dụng trong cơng 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 mơi trường [25]
Có 3 dạng biến đổi sinh học chủ yếu của arsen trong mơi trường:
-

Q trình oxy hóa giữa arsenite và arsenate

-

Q trình khử và methyl hóa arsen

-

Q 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 mơi trường khử, ví dụ như trong nước
giếng sâu, dạng arsenite chiếm ưu thế. Sự methyl hóa arsen vơ cơ thành acid

methylarsenic và acid dimethylarsenic liên quan đến các hoạt động sinh học trong
mơi trường nước. Một số lồi sinh vật biển tham gia vào q trình chuyển đổi arsen
vơ cơ thành hợp chất hữu cơ phức tạp như arsenobetaine, arsenocholine,
arsoniumphospholipid.
Trong mơi trường đất bị oxy hóa, arsen vơ 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 q trình giải phóng methylarsine vào khơng 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 vơ 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 mơi 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 sốt sự có mặt của arsen trong mơi 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 mơi trường

Các phản ứng hóa học và các q trình vật lý trong đất – nước và cặn bùn – đá
ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển, phân bố của arsen trong mơi trường. Lượng
oxy kiểm sốt 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 hịa tan do q trình oxy hóa của
arsenopyrite (FeAsS) chuyển hóa arsen vào trong mơi 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 q trình quang hợp.
Hầu hết arsen vơ cơ có trong cơ thể sinh vật biển không phải từ nước biển.
Ngược lại, nguồn arsen này chủ yếu từ thức ăn, một q 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 thơng 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 mơi 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 lồi tảo khi chết và bị
phân hủy sẽ giải phóng arsenosugar vào mơi trường nước và trầm tích, nhờ lồi 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. Ngồi ra cịn 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 vơ 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 vơ 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 khơng 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, khơng thể xác định chính xác LD50 vì độc tính q 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 q trình methyl hóa sinh học arsen vơ
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 q trình khử, methyl hóa và oxy hóa
(Hình 1.3).

Hình 1.3 – Q 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 vơ cơ hóa mẫu khơ: chất trợ nung là chất oxy hóa dạng vơ cơ.

-

Phương pháp vơ cơ hóa mẫu ướt: thuốc thử là HNO3.
Trong vơ cơ hóa mẫu ướt, phá mẫu bằng lị 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 lị 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 sơi 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 hồn tồn tạo thành hydro khử chất phân tích về hydride:
BH4 - + 3 H2O +
6H

H+ → H3BO3 + 8 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. Dịng 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 q 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 lồi thủy hải sản cũng tạo thành


hydride. Arsenobetaine, arsenocholine, cation tetramethylarsonium không thể tạo
thành hydride nếu khơng 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 đốn 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 khơng 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 vơ cơ vì hiệu suất rất kém.
Phương pháp chiết chủ yếu là lắc, siêu âm, chiết có kiểm sốt 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 ngun tố. Đây là một cơng cụ rất hữu hiệu cho
phép phát hiện ở mức nồng độ thấp.


Nguồn ICP sẽ tạo ra plasma, đó là một dịng 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 ngun 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

-

Khơng 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 q trình xảy ra. Các q 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 q 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 dịng 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 dịng khí thổi nhanh vào cuối ống mao quản. Áp suất thấp và
dịng 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 mịn nếu dung dịch chứa acid HF.
™ Bơm
Dòng chất lỏng vào bộ tạo sương được kiểm sốt 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 dịng sương mẫu thổi qua
(Hình 1.9). Khoảng cách giữa hai ống ngồi khá hẹp để dịng khí thổi vào đạt tốc độ
cao. Vùng này được thiết kế để dịng khí xốy thẳng đứng vào. Dịng khí này có
nhiệm vụ làm mát thành thạch anh của ngọn đuốc, gọi là dịng làm mát, dịng ngồi
hay dịng plasma. Với khí argon trong hệ ICP, tốc độ dịng plasma trung bình
khoảng 7 – 15 L/phút.


Hình 1.9 – Sơ đồ ngọn đuốc dùng trong hệ ICP-OES

Vùng giữa dịng ngồi và dịng trong đưa khí trực tiếp vào plasma. Dịng này

giữ cho q 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 dịng bổ trợ, tốc
độ trung bình khoảng 2-3 L/phút.
Dịng 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 dịng 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 q 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 thơng thường
NAZ) sẽ vào vùng đo phổ. Cho đến gần đây, vùng phân tích được quan sát từ