XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT Pb TRONG NƯỚC NGỌT BẰNG PHƯƠNG PHÁP VON – AMPE HÒA TAN HẤP PHỤ CÓ MẶT CALCEIN BLUE

Tiểu luận phân tích điện hóa

XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT Pb TRONG NƯỚC NGỌT BẰNG PHƯƠNG PHÁP
VON – AMPE HÒA TAN HẤP PHỤ CÓ MẶT CALCEIN BLUE
Tóm tắt
Phương pháp Von-ampe hòa tan hấp phụ catot sử dụng điện cực giọt thủy ngân
treo là một phương pháp có tính chọn lọc cao để xác định Pb, dựa vào độ hấp phụ của
phức chì với Calcein Blue ( 8-[ N,N-bis (carboxymethyl)aminomethyl]-4methyllumbelliferone). Sau khi làm giàu phức chất, quét thế âm dần theo kỹ thuật xung
vi phân đến khi sự khử phức chì xảy ra là - 0.5V. Tiến hành phân tích ở những điều kiện
tối ưu như sau: nồng độ Calcein Blue là 300nM, pH = 6.5, hấp phụ ở thế bằng – 0.15V),
giới hạn phát hiện là 3

δ

của nồng độ là 0.04nM sau 1 phút. Các ion cản trở có thể làm

giảm bằng cách thêm vào ion citrat. Phương pháp này có thể áp dụng thành công để phân
tích các mẫu nước sông SLRS-2 và các mẫu nước ngọt khác.
1. Giới thiệu

Một số kim loại nặng như Pb và Cd gây ảnh hưởng độc hại đến cuộc sống con
người, vì vậy việc xác định kim loại nặng là cần thiết. Gần đây có nhiều phương pháp
quang phổ được sử dụng rộng rãi để xác định kim loại nặng như phương pháp quang phổ
hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ phát xạ cao tần cảm ứng ( ICP – AES) hoặc phổ khối
( MS), tuy nhiên hàm lượng của Pb trong tự nhiên thường thấp hơn nhiều so với giới hạn
phát hiện khi sử dụng các kỹ thuật trên. Vì vậy khi phân tích sẽ gặp nhiều khó khăn.
Phương pháp Von-Ampe hòa tan, đặc biệt là Von – Ampe hòa tan hấp phụ catot
(CSV), được ứng dụng rộng rãi với kỹ thuật đơn giản, độ nhạy cao, rẻ, được ứng dụng
rộng rãi để xác định kim loại nặng trong nước tự nhiên. Một vài thuốc thử được dùng để
xác định Pb, với phương pháp dùng 8 – qinolinol có tính chọn lọc cao nhưng không hiệu
quả vì hàm lượng Cu cản trở lớn. Tương tự phương pháp dùng o – cresolphthalexone thì

bị nhiễu phổ do dư Mo. Gần đây, người ta xác định được rằng Xylenol Orange ( XO, 3,3 ’
– bis[ N,N – bis ( carboxymethyl ) aminomethyl]-o-cresolsulfophthalein) và các chất có
tính chất giống như trên, là thuốc thử tạo phức thích hợp để xác định Cadmi, chì bằng
1


Tiểu luận phân tích điện hóa

phương pháp Von – Ampe hòa tan. Trong bài báo này, Calcein Blue ( 8-[ N,N-bis
(carboxymethyl)aminomethyl]-4-methyllumbelliferone) được dùng để xác định chì bằng
phương pháp Von – Ampe.
2. Thực nghiệm
2.1. Hóa chất
- Dung dịch chuẩn Calcein Blue nồng độ 150µM ( Dojindo ).
- Dung dịch TES 1M( N – tris(hydroxymethyl)methyl-2-aminoethanesulfonic
axit, Dojindo, dung dịch NH3 tinh khiết nồng độ 5M được thêm vào để điều chỉnh pH đến
6.5), dung dịch NaCl tinh khiết 5M (Wako), Nati citrat 1M (Wako) được quét thế ( -1.3V
cho dung dịch Natri clorua - NaCl, Calcein Blue và TES, -1.7V cho dung dịch Natri
citrat) với điện cực giọt thủy ngân treo.
- Mọi dung dịch được pha loãng bằng nước cất lấy từ hệ thống Milli – Q
(Millipore). Axit clohydric và dung dịch amoniac tinh khiết của hãng Cica – Merk. Dung
dịch chuẩn chì có 99.999% chì kim loại (Wako).
2.2. Thiết bị
- Máy phân tích Von – Ampe P – 1100 của hãng Yanaco.
- Điện cực giọt thủy ngân treo A PAR 303A.
- Điện cực so sánh Ag|AgCl|| dd KCl.
- Máy quang phổ UV của hãng Hitachi U-2000.
2.3. Quy trình phân tích
Mẫu nước ngọt được lọc với màng lọc Nuclepore 0.22µm và chiếu xạ UV ở điện
áp 70W bằng đèn thủy ngân trong 6 giờ ở pH=2.0 để phân hủy các hợp chất hữu cơ [8].

Dùng pipet lấy 10ml mẫu đã xử lý cho vào tế bào điện phân, thêm 20µl dung dịch
Calcein Blue 150µM, 100µl dung dịch TES 1M, 150µl dung dịch Natri citrat 1M; thêm
20µl dung dịch NH3 để điều chỉnh pH = 6

÷

7. Sau khi đuổi khí O2 bằng N2 trong 5 phút

thì dung dịch mẫu được làm sạch. Thế điện cực làm việc là thế làm giàu.
Giai đoạn làm giàu: dung dịch được khuấy liên tục, sau 10s tắt máy khuấy, để yên
dung dịch phân tích.
2


Tiểu luận phân tích điện hóa

Giai đoạn hòa tan: quét thế theo chiều âm dần, và ghi dòng theo kỹ thuật xung vi
phân (DP) với tốc độ xung là 10s-1, biên độ 25mV, tốc độ quét thế 20mV.s-1.
Phương pháp định lượng : xác định nồng độ chì bằng phương pháp thêm chuẩn.
Cũng có thể áp dụng các điều kiện phân tích như trên nhưng dùng dung dịch NaCl
50nM.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Lựa chọn được phối tử, phương pháp Von-Ampe vòng và sự tạo thành phức chì
Trong số các thuốc thử tạo phức có nhóm N,N – bis ( carboxymethyl ), XO, o –
cresolphthalexone và Calcein Blue đều cho phổ của chì ở - 0.5V( đường 1). Để xác định
nồng độ Pb rất nhỏ ( trong nước ngọt nồng độ Pb thường là 0.2 – 1nM [9-11]), thì sự ổn
định của đường nền và độ nhạy cao là yếu tố quyết định chủ yếu. Với XO hoặc o –
cresolphthalexone, phổ của chì bị nhiễu bởi phổ của chính phối tử tạo phức. Với Calcein
Blue, phổ chì xuất hiện rõ nét có tính chọn lọc cao, do đó Calcein Blue được chọn làm
thuốc thử tạo phức chì.

Đường 1. Đường Von-Ampe hòa tan của các phức khác nhau sau 60s, hấp phụ ở 0.15V; (a)Với 1µM XO và 3.6nM chì; (b) với 1µM o – cresolphthalexone và 2.8nM chì;
(c) với 200nM Calcein Blue và 2.8nM chì.
Đường 2. Đường Von-Ampe vòng của dung dịch chì nồng độ 300nM hấp phụ sau
60s ở - 0.15V trong dung dịch Calcein Blue 1 µM tại pH= 6.8. Các pic của quá trình khử
3


Tiểu luận phân tích điện hóa

và quá trình oxi hóa được quan sát thấy đối xứng nhau tại các thế giống nhau. Vậy quá
trình xảy ra trên điện cực là thuận nghịch.

Đường 2. Đường Von-Ampe vòng trong dung dịch Calcein Blue 1 µM tại pH=
6.8. Sau 60s quét phổ 1lần ở -0.15V; tốc độ quét là 50mV.s-1; đường chấm chấm, mẫu
trắng, đường liền, dung dịch chì (Pb) 300nM.
Để xác định thành phần của phức chì - Calcein Blue, một phương pháp được đưa
ra là phương pháp quang phổ. Đường 3a biểu diễn phổ UV của Calcein Blue. Sau khi
thêm chì (đường 3b và 3c) thì đường biểu diễn phổ thay đổi mạnh do có sự tạo phức giữa
chì và Calcein Blue. Trong dung dịch Calcein Blue 50 µM ở pH= 6.7 – 6.8, (bước sóng
hấp thụ cực đại của phức chì - Calcein Blue là 350nm) thì nồng độ chì được xác định
( đường 4a, đường tỷ lệ mol). Tỷ lệ phức 1:1 được xác định rõ khi đường độ hấp thụ tăng
lên khi tăng nồng độ mol của chì. Sự biến đổi liên tục của đồ thị ở 350 nm được biểu diễn
ở đường 4b. Độ hấp thụ cưc đại cũng như nồng độ mol và quá trình hình thành phức theo
tỷ lệ 1:1 được xác định, khi tăng nồng độ chì thì đường hấp phụ tăng. Tương tự như vậy
Calcein Blue cũng tạo phức với đồng( Cu) [12], nhôm(Al) [13], zirconi ( Zr) [14],…

4

Tiểu luận phân tích điện hóa

hình 3. Phổ UV của Calcein Blue 50 µM tại pH= 6.8; (a) không có chì;(b) chì 30
µM; (c) chì 50 µM.

Đường 4. Thành phần phức Pb-CB ( trong dung dịch NaCl 50mM, pH= 6.7 –
6.8); (a)đồ thị biểu diễn độ hấp phụ theo nồng độ mol của dd CB 50 µM tại
(b) độ hấp phụ tiếp tục thay đổi ở

λ = 350nm

λ = 350nm

;

( nồng độ của CB và Pb là 100 µM).

3.2. Điều kiện quét thế
Pic của chì trong CSV thay đổi theo nồng độ Calcein Blue, CCB, ở pH=6.8(đường
5a). Pic tăng khi CCB tăng và lớn nhất tại nồng độ cực đại là 300nM. Ở nồng độ CCB lớn
hơn thì độ chọn lọc giảm và đường nền không còn ổn định, vì vậy nồng độ 300nM là
nồng độ tối ưu.
Xét ảnh hưởng của pH, pic được biểu diễn ở đường 5b. Tiến hành ở pH bằng 5.6
đến 7.2 thì quan sát thấy pic không khác nhau nhiều, và giá trị pH thích hợp để nghiên
cứu là 6.5. Ở pH nhỏ hơn 5.6 thì độ nhạy thấp không đáng kể. Điều này có thể là do sự
5


Tiểu luận phân tích điện hóa

phân ly proton của nhóm N,N – bis ( carboxymethyl ). Ảnh hưởng của dung dịch axit thể
hiện rõ hơn với phức Cadmi- Calcein Blue [7], vì vậy phức chì - Calcein Blue ổn định
hơn phức Cadmi- Calcein Blue.
Xét ảnh hưởng của thế hấp phụ, Ead, được biễu diễn ở đường 5c. Quét thế từ -0.1
-0.4V thì pic không thay đổi nhiều, nhưng ở thế âm hơn -0.2V thì đường nền không ổn
định, vì vậy thế được chọn là -0.15V.
Xét ảnh hưởng của thời gian hấp phụ, tad, dung dịch chì nồng độ 10nM hấp phụ
trong 3 phút thì thấy phổ tăng mạnh ( đường 5d). Ở giá trị tad thì pic không còn ổn định.

Đường 5a. pic cao với nồng độ 10nM ở pH=6.8 do ảnh hưởng của nồng độ CB
( tad = 60s, Ead = -0.15V); (b) ảnh hưởng của pH( Pb 10nM, CB 1 µM, tad = 60s, Ead =
-0.15V); (c) ảnh hưởng của thế hấp phụ ( Pb 11nM, CB 1 µM, tad = 60s, pH = 6.8); (d)
ảnh hưởng của thời gian hấp phụ(Pb 10nM, 300nM CB, pH = 6.8, , Ead = -0.15V).

6

÷


Tiểu luận phân tích điện hóa

- Hàm lượng chì -Calcein Blue complex bám trên bề mặt điện cực được tính từ
đường quét thế được ghi trong điều kiện bảo hòa lượng chì trên điện cực (pH= 6,8;
300nM PbII; 1μM Calcein Blue bám trong ba giây ở thế -0,15V). Được sử dụng như một
quá trình ngược lại, vùng bề mặt được sử dụng bởi một phân tử phức chì- Calcein Blue
complex là 270Ǻ2 giá trị tính được 67Ǻ2 (trong trường hợp, vùng sử dụng bởi những
nguyên tử hình thành liên kết electron π được liên kết với lực Van Der Waals) và nó nhỏ
hơn giá trị thực nghiệm. Sự cản trở không gian của nhóm N,N-bis(carboxymethyl)có thể
làm tăng diện tích hấp phụ của phần tử, nhưng sự khử cũng có thể góp phần lớn vào vùng
hấp phụ được sử dụng.

3.3. Sự nhiễu (sự cản trở)
- Peak cho 10nM chì trong sự có mặt Calcein Blue 300nM tại pH 6,8 không đủ
cho sự phát triển của số lượng ion kim loại khoảng 100nM, như: đồng (Cu); kẽm( Zn);
sắt (Fe); coban (Co); niken (Ni ); nhôm (Al); mangan(II), molipden (VI), paladi (Pd);
crom III (CrIII ); crom VI ( Cr IV), magie (Mg ); canxi ( Ca); stronti (Sr); bari ( Ba);
womfram VI ( WIV); thiếc( Sn); vanadi (V), Indi ( In); cadmi ( Cd); urani (VI). Thêm
100nM titan (IV) để giảm chiều cao của peak chì bằng 17%. Phương pháp với sự có mặt
của O-Cresolphthalexone, một sự tập trung lớn của molipden (Mo) gián tiếp cản trở bởi
xuất hiện sự chồng nhau của peak. Phương pháp với sự có mặt của Calcein Blue thì
không bị nhiễu, được quan sát thấy khi tăng thêm 1μM molipden(VI). Hơn nữa một vài
μM FeIII làm giảm mạnh peak của chì,nhưng khi thêm 15mM ion citrate thu hồi với độ
nhạy 60%. Với sự có mặt của 10nM calci ( xảy ra sự cô đặc như trong nước biển) thì
không bị nhiễu, trong khi 20; 40; 60 mM magie làm giảm mạnh đến 83;73 và 61% hệ số
tách. Với sự có mặt của 60mM magie trong dung dịch NaCl, độ nhạy của phương pháp
không được lặp lại ngay cả khi thêm 15mM ion citrate. Trong nước tự nhiên độ nhạy bị
giảm hơn 40% và đường nền bị hỏng.
-Những hợp chất hoạt động trong tự nhiên được biết đủ khả năng khử trên bề mặt
điện cực giọt thủy ngân và nhiễu quá trình phân tích bởi sự khử bằng phương pháp von
ampe hòa tan catod, ảnh hưởng bởi sự nhiễu của một anionic hoạt động bề mặt (như:
natri dodecyl sulfate); một cationic hoạt động bề mặt (như: n-dodecyl trimetyl amoni
7


Tiểu luận phân tích điện hóa

clorur) và một trung tính hoạt động bề mặt (như:triton X-100) được ưu tiên. Trong sự có
mặt của 1μg/mL của những chất hoạt động bề mặt, đường peak của chì giảm đến 88; 72
và 4% cho natri dodecyl sulfate; n-dodecyl trimetyl amoni clorur, triton X-100 tách biệt.
- Cho nên, những chất hoạt động bề mặt có thể tách rời hay làm sai khác thứ tự để
đạt độ nhạy tốt.

3.4 Khoảng xác định và giới hạn phát hiện
- Trong những điều kiện tốt nhất (300nM Calcein Blue; pH= 6,5, Ead =-0,15V)
khoảng tuyến tính được xác định trên đồ thị cho 100nM của chì trong một phút khử ở
điện cực, khoảng xác định trên đồ thị hướng tới sự cân bằng khi sự khử bảo hòa.
- Giới hạn phát hiện được xác định khoảng ba lần độ lệch chuẩn trong sáu lần quét
lặp lại của 0,207nM của chì trong một phút bị khử ở điện cực là 0,04nM.
- Sự xác định chì trong mẫu nước ngọt chứa ít hơn 1μM của FeIII, ion citrate được
cung cấp để tránh sự nhiễu. Sự có mặt của 1μM sắt(III) và 15mM citrate làm độ nhạy bị
giảm ( trong trường hợp này giới hạn phát hiện là 0,07nM). Đây là hiện tượng quan sát
được với phức Cd -Calcein Blue, tuy nhiên, độ nhạy của Pb không thấp hơn Cd và được
biểu diễn trong đường 6. Hai trường hợp khoảng tuyến tính được lặp lại ở mức thấp hơn
nồng độ cân bằng của chì.
- Trong nước biển, độ nhạy cũng thấp, giới hạn phát hiện là 0,2nM. Sự tập trung
chì ở đây là cao hơn nhiều so với chất không tinh khiết như nước biển, vì vậy, phương
pháp này chỉ có thể áp dụng cho nước ngọt, nước ít bị ô nhiễm.

Đường 6. Đồ thị biểu diễn Pb bằng phương pháp thêm chuẩn ( pH = 6.8, E ad = -0.15V,
tad = 60s); (a) có mặt CB 300nM; (b) có mặt 1μM FeIII và 15mM citrate trong 300nM CB
8


Tiểu luận phân tích điện hóa

3.5. Khoảng xác định của chì trong nước sông chuẩn SLRS-2 và những mẫu nước
ngọt khác.
- Phương pháp mô tả ở trên được áp dụng đến nước sông chuẩn SLRS-2 (thu được
từ hội đồng nghiên cứu Canada). Sự tập trung (0,671± 0,060) nM (n=8) chì được tìm thấy
với giá trị chấp nhận được là (0,623± 0,053) nM. Những mẫu nước ngọt khác, được đo
lặp lại. Kết quả được kê ra trong bảng 1 và được biểu diễn trong đường 7.
- Sự tập trung nồng độ chì trùng với những giá trị đã được nghiên cứu trong nước

tự nhiên [9-11,16], vì vậy, phương pháp có thể sử dụng thành công để xác định lượng vết
Pb trong nhiều loại nước ngọt.
Bảng 1: lượng chì được tìm thấy từ các mẫu nước ngọt khác nhau
Mẫu
Sông Yono
Sông Ina
Nước ngầm

[Pb2+] (nM)a
0,54 0,08
0,35 0,02
0,62± 0,04
0,62± 0,12
0,22± 0,01
0,49± 0,02
1,22± 0,04
0,32± 0,01
0,47± 0,02
0,55± 0,03
0,28± 0,06
4,59± 0,08
1,43± 0,02

A
B
C
D
A
B
C

D
E
F
G
H

Nước máy
* giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn (n=3)

9


Tiểu luận phân tích điện hóa

Hình 7. Đường von-ampe của nước ngầm A; (a) mẫu
gốc; (b) là mẫu sau khi thêm 0,28nM chì; (c) là mẫu sau khi thêm 0,55nM chì.
4. Kết luận
Công trình này được trợ cấp một phần bởi sự viện trợ nghiên cứu khoa học số
06640785, Bộ Giáo Dục, Khoa học và Văn hóa, Nhật Bản.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] C.M.G. van den berg, Anal. Chim. Acta, 250 (1991) 265.
[2] J. Wang, Fresennius' J. Anal. Chem., 337 (1990) 508.
[3] C.M.G. van den Berg, Analyst [London], 114 (1989) 1527.
[4] R. Kalvoda and M. Kopanica, Pure Appl. Chem., 61 (1989) 97.
[5] C.M.G. van den Berg, J. Electroanal. Chem., 215 (1986) 111.
[6] J. Wang, J. Lu and C. Yarnitzky, Anal. Chim. Acta, 280 (1993) 61.
[7] K. Yokoi, M. Mizuumachi and T. Koide, Anal. Sci, 11 (1995) 257.
[8] K. Yokoi, T. Tomisaki, T. Koide and C.M.G. van den berg,Fresenius' J. Anal. Chem.,
352 (1995) 547.
[9] Y. Nojiri, T. Kawai, A. Otsuki and K. Fuwa, Water Res., 19 (1985) 503.

[10] L. Sigg, M. Sturm and D. Kistler, Limnol Oceanogr., 32 (1987) 112.
[11] Y. Hirano, M. Koshikawa, M. Honda, K. Shima, K. Kusatsu, E. Fukuda and K.
Kimura, Chikyu Kagaku, 18 (1984) 1.
[12] T. Miyahara, Bunseki Kagaku, 29 (1980) 11.
10


Tiểu luận phân tích điện hóa

[13] T. Imasaka, T. Ogawa and N. Ishibashi, Bull. Chem. Soc. Jpn., 49 (1976) 2687.
[14] T.L. Har and T.S. West, Anal. Chem., 43 (1971) 136.
[15] C.M.G. van den Berg, Anal. Chim. Acta, 164 (1984) 195.
[16] K. Vermeiren, C. Vandecateele and R. Dams, Analyst [London], 115 (1990) 17.

11