Phân tích hàm lượng Bromide và Bromate trong nước bằng sắc ký ion kết nối với đầu dò khối phổ Plasma ghép cặp cảm ứng (IC ICPMS)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



LÂM VĂN XỰ







PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG BROMIDE VÀ BROMATE TRONG
NƯỚC BẰNG SẮC KÝ ION KẾT NỐI VỚI ĐẦU DÒ KHỐI PHỔ
PLASMA GHÉP CẶP CẢM ỨNG (IC/ICP-MS)


Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60 44 29




LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN VĂN ĐÔNG




Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2010

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi nhận được rất nhiều sự hỗ trợ về chuyên môn và
động viên tinh thần của các thầy cô, gia đình và bạn bè.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến:
Thầy TS Nguyễn Văn Đông
là người hướng dẫn khoa học đã tận tình chỉ bảo, luôn quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tận đáy lòng, tôi vô cùng biết ơn Thầy GS Chu Phạm Ngọc Sơn

và Cô TS Diệp
Ngọc Sương đã hết lòng truyền đạt kiến thức chuyên môn và tận tình chỉ bảo để tôi có thể
trưởng thành như ngày hôm nay.

Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong bộ môn Hóa phân tích và Khoa Hóa học –
Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt
những năm học tập tại trường.
Vô cùng cảm ơn Ban giám đốc Trung tâm Phân tích Công nghệ cao Hoàn Vũ, đặc biệt
là TS Phạm Kim Phương đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi chu toàn công việc và
hoàn thành chương trình học tập.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tất cả bạn bè, các anh chị và các bạn đồng nghiệp
đã luôn bên cạnh và sẵn sàng hỗ trợ tôi về mọi mặt trong suốt thời gian học tập và hoàn
thành luận văn này.
Anh vô cùng cảm ơn Em và Gia Đình vì tất cả sự quan tâm và tình yêu thương đã
dành cho anh. Đây là nguồn động viên và là điểm tựa vững chắc nhất để anh có được kết
quả ngày hôm nay và vững vàng bước tiếp trên con đường tương lai.
Mặc dù cố gắng hết sức nhưng vì thời gian có hạn và kiến thức còn nhiều hạn chế
nên luận văn này khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý
kiến và thông cảm từ quý thầy cô và các bạn.
Tp HCM, ngày 15 tháng 09 năm 2010
BẢN TÓM TẮT
Tên đề tài: “Phân tích hàm lượng bromide và bromate trong nước bằng sắc ký ion kết
nối với đầu dò khối phổ plasma ghép cặp cảm ứng (IC/ICP-MS)”
Họ và tên học viên cao học: Lâm Văn Xự
Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Đông
Địa chỉ cơ quan nghiên cứu: Trung tâm Phân tích Công nghệ cao Hoàn Vũ
Email:

Bromate là sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình khử trùng nước có chứa bromide bằng ozone.
Vì bromate có khả năng gây ung thư ở người nên các phương pháp phân tích bromate ngày càng nhận
được sự quan tâm trong những năm gần đây. Phương pháp phân tích hàm lượng bromide và bromate
trong nước bằng sắc ký ion kết nối với đầu dò khối phổ plasma ghép cặp cảm ứng (IC/ICP-MS) đã
được khảo sát và xây dựng. Khả năng phân tích chọn lọc của đầu dò ICP-MS kết hợp với hiệu năng tốt
của cột anion sử dụng pha động NH
4
NO
3
đã cho phép xác định trực tiếp mẫu nước mà không cần quá
trình xử lý mẫu để loại ảnh hưởng nền với thời gian phân tích tối ưu là 6 phút. Giới hạn phát hiện
bromate và bromide lần lượt là 1.5 và 0.54 μg/L.

ABSTRACT
Title: “Determination of bromide and bromate in water by ion chromatography-
inductively coupled plasma mass spectrometry”.
Author’s name: Lam Van Xu
Supervisor: PhD Nguyen Van Dong

Bromate is a disinfection by-product in drinking water, formed during the ozonation of source
water containing bromide. Because bromate is a possible human carcinogen, analysis of bromate and
bromide in waters has received considerable attention in recent years. A method for determination of
bromate and bromide in drinking waters using on-line coupling of ion chromatography (IC) and
inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) has been developed. Selective inductively
coupled plasma mass spectrometer combined with high capacity of the separation anion column using
NH
4
NO
3
as eluent allows a six-minute direct analysis of almost every water sample without matrix
elimination. Detection limit of bromate and bromide were 1.5 and 0.54 μg/L, respectively.

i
MỤC LỤC
Trang
Mục lục i
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt iv
Danh mục các bảng v
Danh mục các hình vẽ, đồ thị vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. SƠ LƯỢC VỀ BROMIDE VÀ BROMATE 3
1.1.1. Tính chất của bromide và bromate 3
1.1.2. Nguồn gốc xuất hiện bromide và bromate trong nước 3
1.1.3. Độc tính của bromate 5
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BROMIDE VÀ BROMATE 7
1.3. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP IC/ICP-MS 10
1.3.1. Sơ lược về phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao 11
1.3.1.1. Phạm vi ứng dụng 11
1.3.1.2. Nguyên lý hoạt động 11
1.3.2. Phương pháp sắc ký ion 12
1.3.2.1. Nguyên tắc 12
1.3.2.2. Pha tĩnh trong sắc ký trao đổi ion 12
1.3.2.3. Pha động trong sắc ký trao đổi ion 12
1.3.2.4. Cơ chế trao đổi ion 12
1.3.2.5. Hấp dung của ionit 14
1.3.3. Các thông số cơ bản của sắc ký 14
1.3.3.1. Thời gian lưu 14
R
t
1.3.3.2. Hệ số dung lượng 15
'
k
ii
1.3.3.3. Hiệu năng 15
1.3.3.4. Độ chọn lọc
α
16
1.3.3.5. Độ phân giải 17

S
R
1.3.4. Cấu tạo của IC/ICP-MS 18
1.3.4.1. Hệ thống sắc ký lỏng 18
1.3.4.2. Hệ thống ICP/MS 19
1.3.4.3. Bộ phận xử lý tín hiệu và hệ thống điều khiển 26

Chương 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, HOÁ CHẤT 27
2.1.1. Thiết bị và dụng cụ 27
2.1.2. Hoá chất 27
2.1.3. Chuẩn bị dung dịch chuẩn và pha động 28
2.2. CÁC NỘI DUNG KHẢO SÁT 29
2.2.1. Khảo sát các thông số kỹ thuật của hệ thống IC/ICP-MS 29
2.2.1.1. Khảo sát lưu lượng khí Ar và năng lượng sóng cao tần RF tối ưu cho
nhiệt độ nguồn plasma của ICP-MS 29
2.2.1.2. Lựa chọn đồng vị phân tích 30
2.2.1.3. Khảo sát các thông số của hệ thống sắc ký lỏng 30
2.2.1.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 31
2.2.2. Khảo sát khoảng tuyến tính của dãy chuẩn 32
2.2.3. Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp 32
2.2.4. Đánh giá hiệu suất thu hồi, độ lặp lại và độ tái lặp của phương pháp 33
2.2.4.1. Quy trình xác định bromide và bromate trong nước 33
2.2.4.2. Khảo sát hiệu suất thu hồi, độ lặp lại và độ tái lặp của phương pháp 33
2.2.5. Độ không đảm đo của phương pháp 34
2.2.5.1. Các nguồn độ không đảm bảo đo 34
2.2.5.2. Tính độ không đảm bảo đo 35
iii
2.2.6. Áp dụng phương pháp phân tích để định lượng bromide và
bromate trong mẫu nước 38

2.2.6.1. Lấy mẫu 38
2.2.6.2. Bảo quản mẫu 38
2.2.6.3. Xử lý số liệu định tính và định lượng 38
2.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 39
2.3.1. Kết quả khảo sát các thông số kỹ thuật của hệ thống IC/ICP-MS 39
2.3.1.1. Kết quả khảo sát tốc độ khí Ar và năng lượng sóng cao tần RF tối ưu
cho nhiệt độ nguồn plasma của ICP-MS 39
2.3.1.2. Lựa chọn đồng vị phân tích 44
2.3.1.3. Kết quả khảo sát các thông số tối ưu trên bộ phận LC 48
2.3.1.4. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 53
2.3.2. Kết quả khảo sát khoảng tuyến tính của dãy chuẩn 60
2.3.3. Kết quả xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của
phương pháp 61
2.3.4. Đánh giá hiệu suất thu hồi, độ lặp lại và độ tái lặp của phương pháp 62
2.3.5. Kết quả tính độ không đảm đo của phương pháp 64
2.3.6. Kết quả phân tích các mẫu nước uống đống chai 65

Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
PHỤ LỤC 75




iv
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT


IC: Ion chromatography (sắc ký ion)

ICP-MS: Inductively coupled plasma mass spectrometry (đầu dò khối phổ plasma ghép cặp cảm ứng)
RF: Radio Frequency (tần số radio hay sóng cao tầng)
LOD: Limit of Detection (Giới hạn phát hiện)
LOQ: Limit of Quantitation (Giới hạn định lượng)

v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Tính chất vật lý 3
Bảng 1.2. Quy định về hàm lượng Bromate 6
Bảng 1.3. Các phương pháp xác định bromide và bromate trên thế giới 8
Bảng 2.1. Các thông số của cột sắc ký trao đổi anion IC Pak A 30
Bảng 2.2. Cường độ của dung dịch chuẩn bromide 100 μg/L tại các giá trị năng lượng
RF và lưu lượng khí khác nhau 39
Bảng 2.3. Các thông số để lựa chọn đồng bị phân tích Brom 44
Bảng 2.4. Điều kiện khảo sát sự nhiễu của K, S và P 46
Bảng 2.5. Điều kiện khảo sát pha động 48
Bảng 2.6. Điều kiện khảo sát tốc độ dòng 50
Bảng 2.7. Kết quả các thông số thực nghiệm trên cột IC Pak A, pha động NH
4
NO
3
8.6
mM (pH 9) 52
Bảng 2.8. Điều kiện phân tích bromide và bromate trên IC/ICP-MS 52
Bảng 2.9. Hàm lượng các ion trong các mẫu nước khảo sát 54
Bảng 2.10. Thông số cột AS 11-HC 57
Bảng 2.11. Điều kiện pha động khảo sát trên cột AS11-HC 58
Bảng 2.12. Số liệu xây dựng đường chuẩn 60
Bảng 2.13. Kết quả xác định LOD và LOQ của phương pháp 61

Bảng 2.14. Hiệu suất thu hồi, độ lặp lại và độ tái lặp của phương pháp khi xác định BrO
3
-
62
Bảng 2.15. Hiệu suất thu hồi, độ lặp lại và độ tái lặp của phương pháp khi xác định Br
-
62
Bảng 2.16. Các thành phần độ không đảm bảo đo của phương pháp cho BrO
3
-
64
Bảng 2.17. Các thành phần độ không đảm bảo đo của phương pháp cho Br
-
64
Bảng 2.18. Kết quả xác định hàm lượng bromate và bromate trong các mẫu nước đóng
chai thu thập trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh 65
Bảng 2.19. Kết quả phân tích bromide và bromate của các mẫu nước uống của công ty J 66
Bảng 2.20. Kết quả phân tích bromide và bromate của các mẫu nước máy và nước giếng khoan 67




vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Dạng tồn tại của BrO
-
ở pH khác nhau 4
Hình 1.2. Các phản ứng xảy ra trong quá trình ozone hóa nguồn nước có chứa bromide
dưới sự hiện diện của DOC và ammonia 4

Hình 1.3. Hệ thống sắc kí ion xác định bromide và bromate trong nước theo phương
pháp EPA 317.0/326.0 9
Hình 1.4. Cơ chế trao đổi ion 13
Hình 1.5. Các đại lượng đặc trưng của sắc ký 14
Hình 1.6. Đường cong Van Deemter 16
Hình 1.7. Cấu tạo hệ thống IC/ICP – MS 18
Hình 1.8. Cấu tạo cơ bản máy ICP/MS 20
Hình 1.9. Bộ phận đưa mẫu vào ICP/MS 21
Hình 1.10. Sơ đồ minh hoạ quá trình tách hạt trong buồng phun 21
Hình 1.11. Ống phun đồng tâm (trái) và ống phun ngang 21
Hình 1.12. Cấu tạo bộ phận tạo plasma 22
Hình 1.13. Quá trình hình thành Plasma 23
Hình 1.14. Vùng phát ra plasma 23
Hình 1.15. Quá trình ion hoá mẫu 23
Hình 1.16.: Vùng chuyển tiếp 24
Hình 1.17. Sampler cone (trái) và skimmer cone 24
Hình 1.18. Hệ thống hội tụ ion 25
Hình 1.19. Tứ cực và detector 25
Hình 1.20. Detector 26
Hình 2.1. Cường độ của dung dịch chuẩn bromide 100 μg/L tại các giá trị năng lượng RF
ứng với lưu lượng khí khác nhau 40
Hình 2.2. Cường độ của dung dịch chuẩn bromide 100 μg/L tại các giá trị năng lượng RF
khác nhau ứng với lưu lượng khí 0.5, 0.55 và 0.6 L/phút 40
Hình 2.3. Quá trình ion hóa của nguồn plasma 42
Hình 2.4. Sự hình thành M
++
và MO
+
khi thay đổi tốc độ khí 21
Hình 2.5. Cường độ tín hiệu m/z 95 của dung dịch blank và chuẩn bromide 100 μg/L tại

các giá trị năng lượng ứng với lưu lượng khí khác nhau 43
Hình 2.6. Sắc ký đồ khối phổ m/z 79 và 81 của bromide và bromate 30 μg/L mỗi chất.
Điều kiện: Cột IC Pak A, pha động NH
4
NO
3
8.6 mM pH 9, tốc độ 1.2 mL/phút 45
vii
Hình 2.7. Sắc đồ đường nền khối phổ ion m/z 79 và 81 của: (A) nước cất khử ion, (B)
dung dịch K
+
10 mg/L, (C) dung dịch P 10 mg/L, và (D) dung dịch S 10 mg/L 47
Hình 2.8. Sắc ký đồ khối phổ của bromide và bromate 30 μg/L mỗi ion ứng với pha động
NH
4
NO
3
8.6 mM pH 9 (A) và (NH
4
)
2
CO
3
11 mM pH 11 49
Hình 2.9. Sắc ký đồ khối phổ của bromide và bromate 30 μg/L mỗi chất ứng với cột IC
Pak A, pha động NH
4
NO
3
8.6 mM (pH9) tốc độ dòng 0.8 mL/ phút, 1 mL/ phút

và 1.2 mL/ phút 51
Hình 2.10. Sắc ký đồ chuẩn hỗn hợp bromide và bromate 25 μg/L (a) và sắc ký đồ khảo
sát ảnh hưởng của hỗn hợp các anion ở nồng độ 50 mg/L đến khả năng tách
và định lượng bromide và bromate 25 μg/L 53
Hình 2.11. Sắc ký đồ của chuẩn hỗn hợp anion 5 mg/L (a) và của mẫu M12A. Điều kiện:
Cột AS9-HC (Dionex), pha động Na
2
CO
3
9 mM, tốc độ dòng 1 mL/phút, đầu
dò đo độ dẫn Waters 432, thể tích tiêm 20 μL 55

Hình 2.12. Sắc ký đồ khối phổ của hỗn hợp chuẩn bromide, bromate, MBAA và DBAA
100 μg/L, sử dụng cột IC Pak A 56
Hình 2.13. Sắc ký đồ khối phổ của hỗn hợp chuẩn bromide, bromate, MBAA và DBAA
100 μg/L, sử dụng cột AS11-HC, pha động NH
4
NO
3
100 mM, tốc độ dòng 1
mL/phút 57
Hình 2.14. Sắc ký đồ khối phổ của hỗn hợp chuẩn bromide, bromate, MBAA và DBAA
100 μg/L, sử dụng cột AS11-HC, pha động NH
4
NO
3
, chế độ gradient: điều
kiện 2 (A) và điều kiện 3 59
Hình 2.15. Quan hệ tuyến tính giữa cường độ và nồng độ tương ứng của chuẩn bromate
và bromide 60

Hình 2.16. Sắc ký đồ xác định LOD và LOQ của bromate và bromide 61
Hình 2.17. Sắc ký đồ khối phổ của hỗn hợp chuẩn bromate và bromide: (a) Chuẩn, (b)
Mẫu trắng (blank), (c) mẫu thêm chuẩn mức 10 ppb và (d) 40 ppb 63

Hình 2.18. Sắc ký đồ khối phổ của: (a) Chuẩn bromate 40 μg/L và bromide 20 μg/L, (b)
Mẫu nước uống đóng chai NSX: 1104100704, (c) Mẫu nước uống đóng chai
NSX: 1104102305, (d) Mẫu nước uống đóng chai NSX: 0707102334, (e) Mẫu
nước khoán 1 và (f) Mẫu nước máy 1 68




















Trang 1
Nước là một trong những yếu tố thiết yếu nhất cho quá trình phát triển của động

thực vật và trong phát triển kinh tế xã hội của mọi quốc gia. Trước đây, khi vệ sinh
nguồn nước và việc khử trùng nước chưa được quan tâm đúng mức thì đã xảy ra nhiều
trận đại dịch làm chết hàng triệu người như: bệnh thương hàn, dịch tả và một số bệnh
lây qua
đường nước. Các vi khuẩn mầm bệnh trong nước là mối đe dọa hàng đầu tới
sức khỏe con người. Do đó, việc khử trùng nguồn nước được xem như là giải pháp
quan trọng trong bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
Trước đây và hiện nay, quá trình khử trùng nước bằng khí chlor (chlorination)
thường được dùng trong các nhà máy xử lý nước. Tuy nhiên, ngay từ thập niên 70,
người ta đã chứng minh được có rất nhiều hóa chất có kh
ả năng gây ung thư như
trihalomethane, acid haloacetic luôn luôn có trong nước được khử trùng bằng khí chlor
và danh sách các hóa chất này ngày một dài ra. Từ đó, nhiều cuộc nghiên cứu đã được
thực hiện để tìm ra phương pháp khử trùng thay thế, nhằm nâng cao khả năng loại bỏ
các hiểm họa mầm bệnh; đồng thời phải giảm các sản phẩm phụ có thể gây nên những
hiểm họa sức khỏe không mong muốn đối với con ng
ười.
Một trong những giải pháp thay thế đó là phương pháp khử trùng bằng ozone.
Phương pháp này đã cho thấy những triển vọng đầy hứa hẹn vì ozone là một chất oxi
hóa rất mạnh, có thể tiệt trùng và cải thiện chất lượng nước mà không tạo ra các hợp
chất hữu cơ bị chlor hóa vốn thường là những hợp chất có độc tính cao. Tuy nhiên,
việc sử dụng ozone trong quá trình khử trùng nước vẫn còn bị h
ạn chế do phương pháp
này lại tạo ra sản phẩm phụ là bromate khi nguồn nước được xử lý có chứa bromide.
Bromate cũng lại là một hóa chất độc, được Tổ chức Nghiên cứu Ung thư Quốc tế
(International Agency for Research on Cancer) xếp vào nhóm 2B – nhóm các chất có
khả năng gây ung thư trên cơ thể người.
Cho đến nay, đã có rất nhiều phương pháp phân tích bromate và bromide
được
trình bày trong các tiêu chuẩn và các báo cáo khoa học quốc tế. Với việc áp dụng

những thiết bị hiện đại, một số phương pháp có thể xác định hàm lượng bromate và
Deleted: bromide và bromate
Deleted: bromide và bromate
Trang 2
bromide trong nước ở mức μg/L (ppb) hoặc thấp hơn. Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa
thấy công bố nghiên cứu cụ thể nào trong việc xác định hàm lượng bromate và bromide
trong nước cũng như trong một số nền mẫu khác. Chính vì thế, việc phát triển một
phương pháp phân tích đơn giản, xác định nhanh và đồng thời bromate và bromide
có
độ nhạy và độ tin cậy cao, đáp ứng được các tiêu chuẩn quốc gia, quốc tế là một vấn đề
cần thiết và cấp bách.

Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, với sự hỗ trợ trang thiết bị của Trung tâm Phân
tích Công nghệ cao Hoàn Vũ và dựa trên cơ sở khoa học của các công trình nghiên cứu
liên quan đã được công bố, chúng tôi thực hiện đề tài: “Xây dựng phương pháp xác
định bromate và bromide trong nước uống đóng chai bằng sắc ký ion kết nối với đầu
dò khối phổ plasma ghép cặp cảm ứng (IC/ICP-MS)” với các nội dung sau:
- Tối ưu điều kiện phân tích đồng thời bromate và bromide trên cột sắc ký trao đổi
anion và đầu dò ICP-MS.
- Hiệu lực hóa phương pháp thông qua đánh giá độ nhạy, hiệu suất thu hồi, độ lặp
lại
, độ tái lặp và sự nhiễu của phương pháp.
- Sử dụng phương pháp trên để khảo sát hàm lượng bromate và bromide trong một
số mẫu nước trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh.


Deleted: ppb
Deleted: bromide và bromate
Deleted: bromide và bromate
Deleted:

Deleted: Phân tích hàm lượng
Deleted: và bromate
Deleted: ¶
Deleted: và bromate
Deleted: ị
Deleted: bromide và bromate




















Trang 3
1.1 SƠ LƯỢC VỀ BROMATE VÀ BROMIDE
1.1.1. Tính chất của bromate và bromide
[3]

Bromate và bromide chủ yếu tồn tại dưới dạng muối natri hoặc kali. Các tính
chất vật lý của chúng có thể tóm tắt như sau:
Bảng 1.1. Tính chất vật lý
Bromide Bromate
Tính chất
Natri
bromide

Kali bromide

Natri
bromate

Kali bromate

Công thức NaBr KBr NaBrO
3
KBrO
3

Khối lượng mol, g/mol 102.89 119.00 150.90 167.01
Trạng thái
Không mùi,
tinh thể trắng
Không mùi,
tinh thể trắng
Không mùi,
tinh thể trắng
Không mùi,

tinh thể trắng
Nhiệt độ nóng chảy,
o
C 755 734
384
(phân hủy)
434
(phân hủy)
Tỉ khối, g/cm
3
3.211 2.75 3.339 3.27
Độ tan trong nước,
g/100g nước
90.8 (ở 20
o
C),
118.3 (ở 80
o
C)
65.2 (ở 20
o
C),
94.6 (ở 80
o
C)
36.4 (ở 20
o
C),
75.7 (ở 80
o

C)

6.87 (ở 20
o
C),
34.28 (ở
80
o
C)

1.1.2. Nguồn gốc xuất hiện bromate và bromide trong nước
Trong tự nhiên, brom tồn tại chủ yếu dưới dạng muối bromide phân bố trong đất
đá của vỏ trái đất. Theo thời gian, muối bromide thôi ra và tích góp vào trong nước
biển ở nồng độ khoảng 65 mg/L. Brom được khai thác từ các mỏ muối giàu bromide
hoặc từ biển Chết (có nồng độ bromide lên đến 5000 ppm).
[16]
Bromate trong nước được hình thành khi nguồn nước có chứa bromide được xử
lý bằng ozone. Bromide tồn tại trong nước sẽ bị oxi hóa thành hydrobromite và tiếp tục
bị oxi hóa thành bromate theo các phương trình phản ứng sau:
[29]

Br
-
+ O
3
+ H
2
O → HOBr + O
2
+ OH

-
(1)
HOBr + H
2
O → H
3
O
+
+ OBr
–
(2)
OBr
-
+ 2O
3
→ BrO
3
–
+ 2O
2
(3)
HOBr + O
3
→ Không phản ứng (4)
Deleted: BROMIDE VÀ BROMATE
Deleted: bromide và bromate
Deleted: Bromide và bromate
Deleted: bromide và bromate
Deleted: 0
Deleted:

5
Deleted:
6
Trang 4
Tốc độ phản ứng của quá trình oxi hóa hypobromite thành bromate tăng ở pH
cao. Phương trình (4) chứng tỏ rằng, ozone không thể oxi hóa hypobromite thành
bromate. Do đó, giảm pH của quá trình khử trùng bằng ozone là một cách giảm thiểu
sự hình thành bromate, vì pH thấp hypobromite tồn tại chủ yếu ở dạng acid (Hình
1.1).
[29]









Ngoài ra, sự hình thành bromate còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác như
liều lượng ozone, nồng độ bromide, thời gian khử trùng…
[6], [20], [28], [29], [32], [34]
Kết quả
nghiên cứu của Rengao Song

cũng

như của Urs von Gunton và các cộng sự đã cho thấy
sự hình thành bromate tăng khi tăng thời gian khử trùng, tăng nồng độ ozone hoặc
bromide ban đầu. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng cacbon hữu cơ hòa tan (DOC) và

ammonia sẽ làm giảm quá trình hình thành bromate.
[6], [20], [28], [32]


Hình 1.1. Dạng tồn tại của BrO
-
ở pH khác nhau
Hình 1.2. Các phản ứng xảy ra trong quá trình ozone hóa nguồn nước có chứa bromide dưới sự hiện
diện của DOC và ammonia
Formatted: Normal (Web), Indent:
Left: 0 cm, Hanging: 1.63 cm
Deleted:
8
Deleted:
19
Deleted:
7
Deleted:
8
Deleted:
1
Deleted:
3
Deleted:
1
Deleted:
9
Deleted:
7
Deleted:

1
Deleted:
.
Deleted: ¶
Trang 5
Để hạn chế sự hình thành bromate, ngoài yếu tố giảm pH, người ta cho vào một
lượng nhỏ ammonia hoặc H
2
O
2
trong quá trình khử trùng hoặc giảm liều lượng ozone
nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả khử trùng hoặc loại bỏ bromide bằng phương pháp thẩm
thấu ngược trước khi khử trùng bằng ozone.
[6], [20], [28], [32], [34]

1.1.3. Độc tính của bromate
[5], [21]

Khi vào cơ thể động vật, bromate nhanh chóng hấp thu qua màng ruột, di
chuyển vào máu và các cơ quan; một phần bromate bị khử về dạng bromide và đào thải
qua nước tiểu.
Khi nghiên cứu sự phơi nhiễm trên chuột, các nhà khoa học thấy rằng tất cả
chuột thí nghiệm đều chết trong vòng 07 ngày khi chúng uống nguồn nước có chứa
hàm lượng bromate 1250 ppm (tương ứng 140 mg/kg thể trọng), hoặc xuất hiện các
khối u ung thư ở gan, th
ận, tuyến giáp, bao tử…sau 14 tuần phơi nhiễm với liều lượng
12 mg BrO
3
/kg.
Trong một số trường hợp ngộ độc bromate ở người (với liều lượng dự đoán từ

20 đến 1000 mg BrO
3
/kg) quan sát được, các triệu chứng biểu hiện ban đầu là đau
bụng, buồn nôn, ói mửa và tiêu chảy. Tiếp đến là tổn thương thận và mất khả năng
nghe. Nếu không sơ cứu kịp thời, bệnh nhân có thể tử vong.
Các nghiên cứu đã chứng minh rằng con người có nguy cơ ung thư là 1/10000
nếu bị phơi nhiễm với nguồn nước uống có bromate ở nồng độ 5.0 μg/L.
Deleted:
19
Deleted:
7
Deleted:
1
Deleted:
3
Deleted:
0
Trang 6
Các quy định về hàm lượng Bromate trong nước ăn uống:
Bảng 1.2. Quy định về hàm lượng Bromate
Tiêu chuẩn, tổ chức
Hàm lượng cho phép
tối đa (μg/L)
Tổ chức Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) 10
Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) 25
Tổ chức Bảo vệ Môi trường Hoa kỳ (EPA) 10
Cộng đồng Châu Âu (EC) 10
Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống
QCVN 01-2009/BYT
20

Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với nước khoáng thiên
nhiên và nước uống đóng chai QCVN 6-1:2010/BYT
10
Trang 7
1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BROMATE VÀ BROMIDE
Theo R. Michalski, một phương pháp lý tưởng cho việc phân tích bromate và
bromide phải thỏa các điều kiện sau:
[26]
- Phải có giới hạn phát hiện nhỏ hơn giới hạn cho phép (giới hạn cho phép của
bromate là 10 μg/L). Mặc dù bromide vẫn chưa có giới hạn cho phép nhưng
phương pháp vẫn phải đủ nhạy nhằm đánh giá sơ bộ chất lượng nước, đặc biệt
là nguồn nước đầu vào
của các cơ sở sản xuất nước uống có sử dụng công nghệ
khử trùng bằng ozone;
- Không cần xử lý mẫu (làm giàu mẫu hay loại trừ nhiễu…);
- Thời gian phân tích ngắn;
- Chi phí thấp;
- Tính khả dụng của phương pháp.
Hiện nay, đã có rất nhiều tiêu chuẩn và báo cáo khoa học đưa ra phương pháp
xác định bromate và bromide
ở nồng độ thấp. Trong đó, kỹ thuật sắc ký ion được sử
dụng rộng rãi và ngày càng trở thành công cụ phân tích hiệu quả, do đặc tính là độ
chọn lọc, độ tin cậy cao, có khả năng phân tích nhiều ion cùng lúc, phân tích hàng loạt
và có thể áp dụng cho nhiều nền mẫu, nhiều lĩnh vực khác nhau (từ môi trường, thực
phẩm đến y khoa…). Ngoài ra, một trong những thuận lợi lớn của kỹ thuật sắc ký ion
cần phải kể đến là có thể kết nối với nhiều loại
đầu dò khác nhau, tùy theo mục đích sử
dụng.
Bảng 1.3 xin liệt kê tóm tắt các phương pháp xác định bromide và bromide
được khuyến nghị bởi ISO, ASTM và US EPA.

[8], [11], [12], [17], [18], [36], [38]





Deleted: BROMIDE VÀ BROMATE
Deleted: bromide và bromate
Deleted:
5
Deleted: vào
Deleted: bromide và bromate
Deleted:
0
Deleted:
1
Deleted:
6
Deleted:
7
Deleted:
5
Deleted:
7
Trang 8
Bảng 1.3. Các phương pháp xác định bromate và bromide trên thế giới
Tiêu
chuẩn
Tên phương pháp Cột Pha động
Thể tích

tiêm
(
μL)

Kỹ thuật Đầu dò
Giới hạn
(
μg/L)

ISO 15061
(2001)
Xác định bromate hòa tan trong
nước bằng sắc ký ion
Trao đổi
anion
-
-
Làm giàu trước cột: 6 mL
mẫu cho qua 3 cột trao đổi
cation dạng Ba, Ag và H
- Đầu dò độ dẫn
- Đầu dò UV
(λ=190-205 nm,
xác nhận)
BrO
3
-
: 0.5
EPA 300.0
(1993)

Xác định các anion vô cơ trong
nước bằng sắc ký ion
Dionex IonPac
AS9
1.7 mM NaHCO
3

+
1.8 mM Na
2
CO
3
50
Mẫu được lọc và tiêm trực
tiếp
Đầu dò độ dẫn,
với bộ triệt nền
màng

Br
-
: 10
BrO
3
-
: 20
EPA 300.1
part B (1997)
Xác định các anion vô cơ trong
nước bằng sắc ký ion

Dionex IonPac
AS9-HC
9.0 mM Na
2
CO
3
200
Mẫu được lọc và tiêm trực
tiếp
Đầu dò độ dẫn,
với bộ triệt nền
điện phân nguồn
nước ngoài

Br
-
: 1.32
BrO
3
-
: 0.98
EPA 317.0
(2000)
Xác định các anion halogen
oxide vô cơ trong nước uống
sau khử trùng bằng sắc ký ion
đầu dò đo độ dẫn kết nối với
phản ứng sau cột ứng dụng cho
phân tích vết bromate
Dionex ionPac

AS9-HC

9.0 mM Na
2
CO
3

225
Mẫu được lọc và tiêm trực
tiếp.
Đầu dò UV/Vis dùng
phản
ứng sau cột (thuốc thử o-
dianisidine) kết nối sau đầu
dò đo độ dẫn
- Đầu dò độ dẫn
(xác định các ion
khác)
- Đầu dò UV/Vis
(λ=450 nm, xác
định bromate)
Br
-
: 0.69
BrO
3
-
:
0.71 (PCR online)
0.12 (chỉ sử dụng

UV/Vis với bộ
phản ứng sau cột)

EPA 321.8
(1997)
Xác định bromate trong nước
uống bằng sắc ký ion ghép nối
ICP/MS
Dionex PA-
100
5.0 mM HNO
3

+
25.0 mM
NH
4
NO
3

580
Mẫu được lọc và tiêm trực
tiếp.
ICP-MS BrO
3
-
: 0.3
EPA 326.0
(2002)
Xác định các anion halogen

oxide vô cơ trong nước uống
sau khử trùng bằng sắc ký ion
đầu dò đo độ dẫn kết nối với
phản ứng sau cột ứng dụng cho
phân tích vết bromate
Dionex IonPac
AS9-HC
9.0 mM Na
2
CO
3
225
Mẫu được lọc và tiêm trực
tiếp.
Đầu dò UV/Vis với bộ
phản ứng sau cột (thuốc
thử KI/Mo(VI)) kết nối sau
đầu dò đo độ dẫn
- Đầu dò độ dẫn,
với bộ triệt nền
điện phân nguồn
nước ngoài
- Đầu dò UV/Vis
(λ=352 nm, xác
định bromate)
Br
-
: 1.7
BrO
3

-
:
1.2 (Đầu dò độ
dẫn )
0.17 (Đầu dò
UV/Vis)

ASTM
D 6581-00
(2000)
Phương pháp chuẩn xác định
Bromate, Bromide, Chlorate,
và Chlorite trong nước uống
bằng sắc ký ion với bộ triệt
nền hóa học
Dionex IonPac
AS9-HC
9.0 mM Na
2
CO
3
200
Mẫu được lọc và tiêm trực
tiếp.
- Đầu dò độ dẫn,
với bộ triệt nền
điện phân nguồn
nước ngoài
Br
-

: 20
BrO
3
-
: 5
Formatted: Subscript
Formatted: Subscript
Deleted:
b
romide và bromate
Deleted:
Deleted: với bộ
Deleted:
Trang 9
Formatted: Font: Bold












Bên cạnh các phương pháp trên, còn có rất nhiều phương pháp xác định bromate
và bromide trong nước.
[7], [9], [14], [15], [19], [21], [23], [24], [25], [27], [29], [35]

Nhưng phần lớn vẫn
dựa trên kỹ thuật sắc ký ion kết nối với đầu dò đo độ dẫn hoặc đầu dò UV/Vis dùng
phản ứng sau cột hoặc với đầu dò khối phổ plasma ghép cặp cảm ứng.
Trong các phòng thí nghiệm hiện đại, kỹ thuật IC/ICP-MS được dùng phổ biến
nhất, do kỹ thuật này có thể xác định đồng thời nhiều dạng/nguyên tố ở nồng độ thấp
(ngoài bromate và bromide
, IC/ICP-MS còn có thể phân tích đồng thời các sản phẩm
phụ khác của quá trình khử trùng nước bằng ozone như chlorate, chlorite ) và thời
gian phân tích nhanh (do mẫu phần lớn không cần phải qua xử lý, đặc biệt là mẫu nước
uống đóng chai). Trong khi các kỹ thuật khác đòi hỏi hoặc phải kết nối đồng thời đầu
dò đo độ dẫn với đầu dò UV/Vis với hệ thống phản ứng sau cột; hoặc phải làm giàu
mẫu, tiêu tốn nhiều thời gian và dụng c
ụ cần thiết. Hơn nữa một số hóa chất sử dụng
trong quy trình phân tích có độc tính cao; ví dụ o-dianisidine (thường được sử dụng
trong kỹ thuật phản ứng sau cột xác định bromate) là chất có khả năng gây ung thư; và
như vậy đòi hỏi phải có hệ thống xử lý chất thải chuyên biệt.
[26]
Hình 1.3. Hệ thống sắc kí ion xác định bromide và bromate trong nước theo phương pháp EPA
317.0/326.0
Deleted:
Deleted: bromide và bromate
Deleted:
3
Deleted:
4
Deleted:
8
Deleted:
0
Deleted:

2
Deleted:
3
Deleted:
4
Deleted:
6
Deleted:
8
Deleted:
4
Deleted: bromide và bromate
Deleted:
5
Trang 10
Formatted: Font: Bold
Tuy nhiên, bất lợi lớn nhất của IC/ICP-MS là giá thành cao và kỹ thuật này vẫn
được cho là phức tạp, đòi hỏi người vận hành phải có trình độ và kinh nghiệm và có lẽ
do nguyên nhân này mà cho đến nay phương pháp chuẩn quốc tế để xác định bromide,
bromate và các sản phẩm phụ khác của quá trình khử trùng bằng ozone dựa trên kỹ
thuật IC/ICP-MS vẫn chưa được ban hành.
[26]
Tuy vậy theo ý kiến chúng tôi, việc sử
dụng đầu dò ICPMS để phát hiện bromide/bromate sau khi tách bằng IC sẽ ngày càng
phổ biến do đầu dò này ngày càng được sử dụng rộng rãi và do những ưu điểm vượt
trội của nó về độ chọn lọc và khả năng phát hiện đồng thời các chất khác ngoài
bromide/bromate trên cùng một lần tách trên IC.
Nhận xét
Dựa vào ưu nhược điểm của các phương pháp trình bày ở trên và điều kiện sẵn
có của phòng thí nghiệm Trung tâm Phân tích Công nghệ cao Hoàn Vũ, chúng tôi

quyết định chọn phương pháp IC/ICP-MS để xác định hàm lượng bromate và bromide

trong các mẫu nước uống đóng chai và các nguồn nước đầu vào của một số cơ sở sản
xuất nước uống đóng chai.

1.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP IC/ICP-MS
Phương pháp sắc ký ion kết
nối đầu dò plasma ghép cặp cảm ứng khối phổ (viết
tắt là IC/ICP-MS) đã xuất hiện khoảng trên 20 năm kể từ khi hệ thống ICP-MS tương
đối hoàn thiện và sự ra đời của các phần mềm hỗ trợ cho việc ghép nối giữa sắc ký
lỏng hiệu năng cao (HPLC) và ICP-MS.
Một trong những đặc tính nổi trội của hệ thống IC/ICP-MS là khả năng định
lượng các dạng tồn tại (speciation) khác nhau của cùng một nguyên tố. Hiện nay, trên
thế giới ph
ương pháp IC/ICP-MS được áp dụng rộng rãi để phân tích methyl thủy
ngân; As (III), As (V) và arsen hữu cơ; Cr (III) và Cr (VI); Se (IV) và Se (VI)…

Deleted:
Formatted: Not Superscript/
Subscript
Deleted: . Do đó,
Deleted:
5
Deleted:
Deleted: uợ
Deleted: hơn
Deleted: bromide và bromate
Deleted: ghép
Trang 11
Formatted: Font: Bold

1.3.1 Sơ lược về phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao
[1], [2]

1.3.1.1 Phạm vi ứng dụng
Sắc ký lỏng hiệu năng cao (H
igh Performance Liquid Chromatography - HPLC)
là một phương pháp tách và phân tích các hợp chất được sử dụng rộng rãi và phổ biến
nhất hiện nay vì nhiều lý do: có độ nhạy tương đối cao, có khả năng định lượng tốt,
thích hợp cho việc tách các hợp chất khó bay hơi hoặc dễ bị phân hủy nhiệt, có phạm vi
ứng dụng trải rộng trong nhiều lĩnh vực từ nghiên cứu khoa học trong các phòng thí
nghiệm đến công nghiệp và một số
lĩnh vực khác.
Hợp chất có thể phân tích bằng sắc ký lỏng như: amino acid, protein, nucleic
acid, hydrocarbon, carbonhydrat, thuốc kháng sinh, các hợp chất terpen, thuốc trừ sâu,
chất hoạt động bề mặt, steroid, các hợp chất vô cơ, …
Dựa vào sự khác nhau về cơ chế tương tác giữa pha tĩnh, pha động và chất tan
trong sắc ký lỏng hiệu năng cao mà người ta có thể phân chia nó ra làm các loại: sắc ký
hấp phụ,
sắc ký phân bố, sắc ký ion, sắc ký rây phân tử…
Mỗi kỹ thuật sắc ký nêu trên sẽ có một khả năng áp dụng ưu việt riêng cho từng
lĩnh vực, từng hợp chất phân tích. Việc hiểu rõ về đặc tính và khả năng ứng dụng của
chúng mà ta có thể lựa chọn từng loại sắc ký phù hợp để áp dụng.

1.3.1.2 Nguyên lý hoạt động
Mẫu gồm các chất phân tích sau khi được tiêm vào cột sẽ tương tác với pha
động và pha tĩnh ở mức độ khác nhau tùy vào ái lực của từng chất trên mỗi pha. Sự
khác biệt giữa mức độ tương tác của từng chất trên hai pha là động lực chính để các
chất này tách ra khỏi nhau trên cột. Các chất phân tích sẽ theo pha động tuần tự ra khỏi
cột sẽ được ghi nhận bởi đầu dò phù hợp.
Sắc ký lỏng có thể ghép với nhiều loại đầu dò khác nhau như: đầu dò tử ngoại-

khả kiến (UV-Vis), đầu dò huỳnh quang (FLD), đầu dò chỉ số khúc xạ (RID), đầu dò
điện hóa (ECD), đầu dò khối phổ, …
Deleted:
Deleted: ;
Deleted: ;
Deleted: ;
Trang 12
Formatted: Font: Bold
Nếu cột sắc ký sử dụng là cột trao đổi ion (anion hoặc cation) thì được gọi là sắc
ký trao đổi ion hay sắc ký ion.


1.3.2 Phương pháp sắc ký ion
[1], [2]

1.3.2.1 Nguyên tắc
Sắc ký ion là dựa trên hiện tượng trao đổi thuận nghịch giữa các ion linh động
liên kết trên bề mặt pha tĩnh rắn với các ion trong dung dịch mẫu, khi cho dung dịch
này đi qua cột được nạp đầy pha tĩnh (chất trao đổi ion). Bản chất của quá trình tách là
dựa trên ái lực tĩnh điện khác nhau của ion trong dung dịch với các trung tâm trao đổi
ion của ionit.

1.3.2.2 Pha tĩnh trong sắc ký trao đổi ion
Pha tĩnh trong sắc ký trao đổi ion là các ionit gồm sườn polime hoặc silic ghép
gốc hữu cơ có chứa anion hoặc cation linh động có thể trao đổi với anion hoặc cation
trong dung dịch. Có hai loại ionit:
Cationit là ionit có khả năng trao đổi với các cation:
R–H
+
+ M

+
= R–M
+
+ H
+

Anionit là ionit có khả năng trao đổi với các anion:
R–OH
-
+ X
-
= R–X
-
+ OH
-


1.3.2.3 Pha động trong sắc ký trao đổi ion
Pha động trong sắc kí trao đổi ion là dung dịch chứa các ion rửa giải (H
+
,
Na
+
…cho cation và Cl
-
, OH
-
, CO
3
2-

…cho anion), đệm pH và nếu cần thì thêm một
ligand tạo phức với các cation cần tách.

1.3.2.4 Cơ chế trao đổi ion
Khi các chất phân tích là các ion đi qua cột, chúng được giữ lại trên pha tĩnh nhờ
vào lực hút giữa các nhóm chức (bị ion hóa) trái dấu
cố định trên bề mặt pha tĩnh, lúc
này một cân bằng động đuợc thiết lập giữa pha tĩnh-ion chất phân tích liên kết trên pha
Deleted:
Formatted: Superscript
Deleted:
+
Deleted:
Deleted:
Deleted: và ion chất phân tích mang
điện tích trái dấu
Trang 13
Formatted: Font: Bold
tĩnh, ion chất phân tích trong pha động và pha động. Khi pha động di chuyển, một cân
bằng mới đư
ợc thiết lập trong đó một phần ion phân tích trên pha tĩnh tan vào pha động
hoặc một phần ion chất phân tích trong pha động liên kết với pha tĩnh để thiết lập, một
cân bằng động mới. Quá trình này làm cho ion chất phân tích di chuyển trong cột. Sự
khác biệt về ái lực giữa pha tĩnh – các ion chất phân tích – pha động giúp quá trình tách
trên cột diễn ra.

Hình 1.4. Cơ chế trao đổi ion

Deleted:
Deleted: u

Deleted: ¶
Deleted: trong sắc ký