Nghiên cứu phân tích đồng thời một số hợp chất nitro vòng thơm bằng phương pháp von ampe kết hợp với hồi quy đa biến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------------------

Khuất Hoàng Bình

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH ĐỒNG THỜI MỘT SỐ HỢP
CHẤT NITRO VÒNG THƠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP
VON-AMPE KẾT HỢP VỚI HỒI QUY ĐA BIẾN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------------------

Khuất Hoàng Bình

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH ĐỒNG THỜI MỘT SỐ HỢP
CHẤT NITRO VÒNG THƠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP
VON-AMPE KẾT HỢP VỚI HỒI QUY ĐA BIẾN
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 9440112.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Tạ Thị Thảo

2. PGS.TS. Trần Văn Chung

Hà Nội - 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS. Tạ Thị Thảo và PGS.TS. Trần Văn Chung. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Khuất Hoàng Bình


LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành tại phòng Phân tích, Viện Hóa học - Vật
liệu, Viện Khoa học - Công nghệ Quân sự và phòng thí nghiệm Hóa phân
tích, Khoa Hóa học, Đại học KHTN- Đại học QGHN.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn
PGS.TS. Tạ Thị Thảo và PGS.TS. Trần Văn Chung đã trực tiếp hướng dẫn
tận tình và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Hóa phân tích,
Khoa Hóa học, Trường Đại học KHTN - Đại học QGHN đã giúp đỡ, tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Hóa học vật liệu đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận án.
Cuối cùng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các anh, chị,
bạn bè, đồng nghiệp Phòng Phân tích/ Viện Hóa học - Vật liệu, tới gia đình
và người thân đã động viên, giúp đỡ về vật chất và tinh thần để tôi có thể

hoàn thành tốt luận án này.
Tác giả

Khuất Hoàng Bình


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................................................................ 4
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.................................................................8
MỞ ĐẦU................................................................................................................ 10
1. Lý do chọn đề tài............................................................................................. 10
2. Mục tiêu của luận án....................................................................................... 12
3. Nội dung luận án............................................................................................. 12
4. Điểm mới về mặt khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án..........................13
Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU.................................................................. 14
1.1. Giới thiệu chung về các hợp chất nitro vòng thơm........................................... 14
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo, tính chất vật lý............................................................. 14
1.1.2. Tính chất hóa học của các hợp chất nitro vòng thơm................................ 15
1.1.3. Ứng dụng và nguồn phát thải của các hợp chất nitro vòng thơm..............18
1.1.4. Độc tính của các hợp chất nitro vòng thơm.............................................. 19
1.2. Các phƣơng pháp phân tích hợp chất nitro vòng thơm....................................20
1.2.1. Các phương pháp phân tích quang phổ.................................................... 20
1.2.2. Các phương pháp phân tích sắc ký........................................................... 23
1.2.3. Phương pháp Von-Ampe xác định các hợp chất nitro vòng thơm..............27
1.3. Phƣơng pháp phân tích Von-Ampe kết hợp với hồi qui đa biến.......................35
1.3.1. Nguyên tắc chung của phân tích Von-Ampe kết hợp hồi qui đa biến.........35
1.3.2. Một số nghiên cứu về phân tích Von-Ampe kết hợp với hồi qui đa biến....40

Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...............44
2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị............................................................................ 44
2.1.1. Hóa chất.................................................................................................... 44
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị.................................................................................... 45
2.2. Đối tƣợng nghiên cứu...................................................................................... 46
1


2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu................................................................................. 47
2.3.1. Nghiên cứu xác lập điều kiện phân tích một số hợp chất nitro vòng thơm
bằng phương pháp Von-Ampe................................................................................. 47
2.3.2. Đánh giá khả năng xác định đồng thời các hợp chất nitro vòng thơm
bằng phương pháp Von-Ampe kết hợp với hồi qui đa biến......................................50
2.3.3. Nghiên cứu lựa chọn mô hình hồi qui đa biến xây dựng trên nền chuẩn .. 50

2.3.4. Nghiên cứu lựa chọn mô hình hồi qui đa biến xây dựng trên nền
mẫu thực.................................................................................................................. 54
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................ 60
3.1. Nghiên cứu xác lập điều kiện phân tích một số hợp chất nitro vòng thơm
bằng phƣơng pháp Von-Ampe................................................................................ 60
3.1.1. Sóng khử Von-Ampe của các hợp chất nitro vòng thơm............................60
3.1.2. Khảo sát điều kiện chung xác định NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT và TNT. .62
3.1.3. Khảo sát khoảng tuyến tính, LOD, LOQ................................................... 75
3.2. Đánh giá khả năng xác định đồng thời các hợp chất nitro vòng thơm
bằng phƣơng pháp Von-Ampe kết hợp với hồi qui đa biến..................................... 79
3.2.1. Tín hiệu Von-Ampe khi có đồng thời các hợp chất....................................79
3.2.2. Khảo sát tính cộng tính tín hiệu đo........................................................... 80
3.3. Nghiên cứu lựa chọn mô hình hồi qui đa biến xây dựng trên nền chuẩn..........82
3.3.1. Ma trận mẫu chuẩn và ma trận mẫu kiểm tra........................................... 82
3.3.2. Nghiên cứu xác định đồng thời sử dụng mô hình CLS..............................83

3.3.3. Nghiên cứu xác định đồng thời sử dụng mô hình ILS................................85
3.3.4. Nghiên cứu xác định đồng thời các chất sử dụng mô hình PCR...............86
3.3.4.1. Khảo sát lựa chọn số cấu tử chính cho mô hình PCR........................88
3.3.4.2. Loại trừ giá trị đo bất thường............................................................ 91
3.3.5. Nghiên cứu xác định đồng thời các chất sử dụng mô hình PLS................93
3.3.5.1. Khảo sát lựa chọn số cấu tử chính cho mô hình PLS.........................95
3.3.5.2. Loại trừ giá trị đo bất thường............................................................ 98
3.3.6. Ứng dụng mô hình PCR, PLS phân tích mẫu giả tự tạo............................99
2


3.3.7. Nghiên cứu xác định đồng thời các chất sử dụng mô hình ANN.............100
3.3.7.1. Các số liệu và lựa chọn ban đầu......................................................100
3.3.7.2. Khảo sát lựa chọn hàm luyện...........................................................101
3.3.7.3. Khảo sát lựa chọn mô hình mạng tối ưu..........................................103
3.4. Nghiên cứu lựa chọn mô hình hồi qui đa biến xây dựng trên nền mẫu thực...106
3.4.1. Nghiên cứu xác định 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT, TNT trong mẫu thực
bằng phương pháp LCMS/MS...............................................................................106
3.4.1.1. Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện phân tích trên hệ MS................106
3.4.1.2. Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện phân tích trên hệ LC................111
3.4.1.3. Xác định khoảng tuyến tính..............................................................112
3.4.2. Nghiên cứu lựa chọn mô hình hồi qui đa biến xây dựng trên nền
mẫu thực...............................................................................................................112
3.4.2.1. Ma trận mẫu chuẩn và ma trận mẫu kiểm tra..................................113
3.4.2.2. Nghiên cứu xác định đồng thời sử dụng mô hình PCR....................114
3.4.2.3. Nghiên cứu xác định đồng thời các chất sử dụng mô hình PLS.......118
3.5. Phân tích mẫu thực tế.....................................................................................121
3.5.1. Quy trình phân tích mẫu.........................................................................122
3.5.2. Kết quả phân tích mẫu thực tế................................................................122
KẾT LUẬN..........................................................................................................128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN............................................................................130
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................131
PHỤ LỤC

3


Vi t tắt
AdSV
AE
ANN
C
Chemometrics
CLS
CV
DC
DNB
DNT
DNP
DP
DPP
Ep
E1/2
EDTA
GC
Hg
HMDE
HMX
HPLC

Ip
IR
ILS

4


Vi t tắt
LC
LOL
LOD
LOQ
MS
NB
2-NP
3-NP
4-NP
PC
PCA
PCR
PLS
PETN
R
RB
Re
RE
RDE
RDX
RSE
RSEt

WE
SMDE
SV
SWV
TNT
TOF
UV-VIS

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Công thức cấu tạo của một số hợp chất nitro vòng thơm nghiên cứu......14
Bảng 1.2: Tính chất vật lý của một số hợp chất hữu cơ nh m nitro thơm...............15
Bảng 1.3: T ng hợp một số công trình công bố xác định các hợp chất nitro
vòng thơm sử dụng phƣơng pháp sắc ký................................................................ 25
Bảng 1.4: Một số công trình nghiên cứu xác định các hợp chất nitro vòng thơm
sử dụng các loại điện cực với kỹ thuật ghi dòng khác nhau.................................... 33
Bảng 2.1: Điều kiện chạy MS theo hƣớng dẫn của nhà sản xuất............................55
Bảng 2.2: Một số gradient pha động đƣợc khảo sát................................................ 57
Bảng 3.1: Thế xuất hiện píc của các hợp chất ở các nền điện ly khác nhau.............60
Bảng 3.2: Ảnh hƣởng của dung dịch nền đến cƣờng độ dòng đ nh pic..................65
Bảng 3.3: Ảnh hƣởng của nồng độ đệm axetat đến cƣờng độ dòng đ nh pic..........66
Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của nồng độ đệm axetat đến thế đ nh pic............................. 66
Bảng 3.5: Sự phụ thuộc của cƣờng độ dòng đ nh pic theo thời gian đu i ôxy........68
Bảng 3.6: Sự phụ thuộc của cƣờng độ dòng và tốc độ quét thế (mV/s)..................69
Bảng 3.7: Ảnh hƣởng của biên độ xung đến cƣờng độ dòng đ nh pic....................70
Bảng 3.8: Ảnh hƣởng của biên độ xung đến thế đ nh pic (V).................................70
Bảng 3.9: Ảnh hƣởng của thời gian ngh đến đến cƣờng độ dòng đ nh pic
(NB, 2-NP, DNT, TNT 1 mg/l và 3-NP, 4-NP 0,5 mg/l)..........................................71

Bảng 3.10 : LOD, LOQ, khoảng tuyến tính xác định NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT và

TNT......................................................................................................................... 76
Bảng 3.11: Sự phụ thuộc của chiều cao pic vào nồng độ NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP,
DNT, TNT............................................................................................................... 77
Bảng 3.12: Các điều kiện tối ƣu phân tích xác định NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT,
TNT......................................................................................................................... 78
Bảng 3.13: Nồng độ dung dịch các mẫu kiểm tra chứa NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP,
DNT, TNT (mg/l).................................................................................................... 82
Bảng 3.14: Độ chính xác của các mẫu kiểm tra theo phƣơng pháp CLS................83
Bảng 3.15: Độ chính xác của các mẫu kiểm tra theo phƣơng pháp ILS..................85
Bảng 3.16: Sự phụ thuộc của RSE, RSEt vào số PC theo phƣơng pháp PCR.........89
Bảng 3.17: Sự phụ thuộc của hệ số tƣơng quan giữa nồng độ tìm đƣợc theo mô hình

và nồng độ ban đầu vào số PC với phƣơng pháp PCR............................................ 90
Bảng 3.18: Sự phụ thuộc của độ thu hồi vào số PC theo phƣơng pháp PCR..........90
6


Bảng 3.19: Sai số chuẩn tƣơng đối RSEt của các mẫu kiểm tra
sau khi loại b bớt mẫu............................................................................................ 92
Bảng 3.20: Độ chính xác của mô hình PCR trƣớc và sau khi loại b các mẫu
gây sai số................................................................................................................. 93
Bảng 3.21: Sự phụ thuộc của RSE, RSEt vào số PC theo phƣơng pháp PLS.........96
Bảng 3.22: Sự phụ thuộc của hệ số tƣơng quan giữa nồng độ tìm đƣợc theo mô hình

và nồng độ ban đầu vào số PC theo phƣơng pháp PLS........................................... 96
Bảng 3.23: Sự phụ thuộc của độ thu hồi vào số PC theo phƣơng pháp PLS..........97
Bảng 3.24: Độ chính xác của mô hình hồi qui PLS cũ và mới (PC = 11)................98
Bảng 3.25: Kết quả phân tích mẫu giả tự tạo theo mô hình PCR và PLS................99

Bảng 3.26: Độ chính xác của các mẫu kiểm tra theo phƣơng pháp NN..............105
Bảng 3.27: Ion mẹ và các ion con của các hợp chất..............................................109
Bảng 3.28: Các thông số tối ƣu MS/MS...............................................................110
Bảng 3.29: Khoảng tuyến tính, LOD, LOQ xác định 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT, TNT
bằng phƣơng pháp LC-MS/MS............................................................................112
Bảng 3.30: Nồng độ các hợp chất tìm đƣợc trong nền mẫu thực..........................113
Bảng 3.31: Công thức tính nồng độ các hợp chất trong nền mẫu thực..................113
Bảng 3.32: Nồng độ dung dịch các mẫu kiểm tra chứa NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP,
DNT, TNT tự tạo trên nền mẫu thực.....................................................................114
Bảng 3.33: Sự phụ thuộc của RSE, RSEt vào số PC theo phƣơng pháp PCR.......115
Bảng 3.34: Sự phụ thuộc của hệ số tƣơng quan giữa nồng độ tìm đƣợc theo mô hình

và nồng độ ban đầu vào số PC theo phƣơng pháp PCR........................................115
Bảng 3.35: Sự phụ thuộc của độ thu hồi vào số PC theo phƣơng pháp PCR........116
Bảng 3.36: Độ chính xác của mô hình PCR cũ và mới (PC = 13).........................117
Bảng 3.37: Sự phụ thuộc của RSE, RSEt vào số PC theo phƣơng pháp PCR.......118
Bảng 3.38: Sự phụ thuộc của hệ số tƣơng quan giữa nồng độ tìm đƣợc theo mô hình

và nồng độ ban đầu vào các PC theo mô hình PCR..............................................119
Bảng 3.39: Độ thu hồi ở các PC theo mô hình PLS..............................................119
Bảng 3.40: Độ chính xác của mô hình PLS cũ và mới (PC = 7)...........................120
Bảng 3.41: Kết quả phân tích mẫu bằng phƣơng pháp nghiên cứu và phƣơng pháp
đối chứng..............................................................................................................123
Bảng 3.42: Kết quả phân tích mẫu thu thập đƣợc theo phƣơng pháp nghiên cứu
và phƣơng pháp đối chứng (mg/l).........................................................................125

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Đƣờng CV của TNT và dẫn xuất của nó................................................. 28
Hình 1.2: Đƣờng CV của các hợp chất nitro vòng thơm ở điều kiện đệm RB
(pH= 5,4)[106]........................................................................................................ 30
Hình 1.3: Đƣờng Von-Ampe của các hợp chất nitro thơm ở cùng điều kiện:
[KCl] = 0,5 mol/l, axetonitrin (5%), PBS pH 7,00; nồng độ 1 mg/l mỗi chất.........31
Hình 1.4: Mô hình của một nơron nhân tạo............................................................. 38
Hình 1.5: Cấu trúc mạng MLP 1 lớp ẩn................................................................... 39
Hình 1.6: Mô hình mạng RBF................................................................................. 40
Hình 3.1: Đƣờng Von-Ampe của NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT và TNT (1 mg/l). . .61
Hình 3.2: Ảnh hƣởng của pH tới cƣờng độ dòng và thế đ nh pic của NB, 2-NP,
3-NP, 4-NP.............................................................................................................. 62
Hình 3.3: Ảnh hƣởng của pH tới cƣờng độ dòng và thế đ nh pic của DNT...........63
Hình 3.4: Ảnh hƣởng của pH tới cƣờng độ dòng và thế đ nh pic của TNT............63
Hình 3.5: Ảnh hƣởng của thời gian ngh đến đƣờng Von-ampe của TNT (1ppm)..71
Hình 3.6: Đƣờng Von-Ampe của dung dịch chứa ion kim loại (5mg/l)..................73
Hình 3.7: Sự phụ thuộc cƣờng độ dòng vào nồng độ NB.......................................75
Hình 3.8: Sự phụ thuộc cƣờng độ dòng vào nồng độ 2-NP.................................... 75
Hình 3.9: Sự phụ thuộc cƣờng độ dòng vào nồng độ 3-NP.................................... 75
Hình 3.10: Sự phụ thuộc cƣờng độ dòng vào nồng độ 4-NP..................................75
Hình 3.11: Sự phụ thuộc cƣờng độ dòng vào nồng độ DNT................................... 76
Hình 3.12: Sự phụ thuộc cƣờng độ dòng vào nồng độ TNT................................... 76
Hình 3.13: Đƣờng Von-ampe của NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT, TNT (1ppm)
và hỗn hợp của chúng.............................................................................................. 79
Hình 3.14: Tín hiệu đo hỗn hợp NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT, TNT (1ppm)
thực tế và lý thuyết.................................................................................................. 80
Hình 3.15: Cách tìm ma trận trị số a) và ma trận trọng số b)................................... 87
Hình 3.16: Phƣơng sai tích lũy của mô hình biểu diễn theo số cấu tử
riêng từng phần theo phƣơng pháp PCR................................................................. 89
Hình 3.17: Độ chính xác của mô hình hồi qui xác định các hợp chất
trong mẫu kiểm tra tự tạo theo phƣơng pháp PCR.................................................. 91

8


Hình 3.18: Biểu diễn cách tìm ma trận trực giao trong PLS.................................... 94
Hình 3.19: Phƣơng sai tích lũy của mô hình biểu diễn theo số cấu tử riêng
theo phƣơng pháp PLS........................................................................................... 95
Hình 3.20: Độ chính xác của mô hình hồi qui xác định các hợp chất trong mẫu
kiểm tra tự tạo theo phƣơng pháp PLS................................................................... 97
Hình 3.21: Độ hồi qui và thông số quá trình luyện mạng ANN sử dụng
hàm trainlm...........................................................................................................101
Hình 3.22: Độ hồi qui và thông số quá trình luyện mạng ANN sử dụng
hàm trainscg..........................................................................................................102
Hình 3.23: Độ hồi qui và thông số quá trình luyện mạng ANN sử dụng
hàm trainbfg..........................................................................................................102
Hình 3.24: Độ hồi qui quá trình luyện mạng ANN sử dụng hàm trainbr...............103
Hình 3.25: Ph MS/MS của 2-NP.........................................................................107
Hình 3.26: Ph MS/MS của 3-NP.........................................................................107
Hình 3.27: Ph MS/MS của 4-NP.........................................................................108
Hình 3.28: Ph MS/MS của DNT..........................................................................108
Hình 3.29: Ph MS/MS của TNT..........................................................................108
Hình 3.30: Phƣơng sai tích lũy của mô hình biểu diễn theo số cấu tử riêng.........114
Hình 3.31: Độ chính xác của mô hình hồi qui xác định các hợp chất
trong mẫu kiểm tra tự tạo theo phƣơng pháp PCR................................................116
Hình 3.32: Phƣơng sai tích lũy của mô hình biểu diễn theo số cấu tử riêng.........118
Hình 3.33: Độ chính xác của mô hình hồi qui xác định các hợp chất
trong mẫu kiểm tra tự tạo theo phƣơng pháp PLS................................................120

9

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các hợp chất hữu cơ nh m nitro đƣợc sử dụng ph biến trong các ngành công
nghiệp, chúng đƣợc dùng làm tiền chất, là sản phẩm trung gian hay là sản phẩm
phân hủy trong quá trình sản xuất thuốc n , khí đốt, thuốc nhuộm, dƣợc phẩm,
thuốc trừ sâu, sản xuất giấy… Trong số các hợp chất nitro, nitro vòng thơm và các
sản phẩm phân hủy của chúng là nh m hydroxylamin hay hợp chất nitroso đều c độc
tính cao, đặc biệt c khả năng gây đột biến, ung thƣ… làm ảnh hƣởng tới sức kh e
con ngƣời và động thực vật. Vì đƣợc ứng dụng rộng rãi nên chúng có khả năng
phát tán và gây ô nhiễm môi trƣờng. Các hợp chất này đã đƣợc phát hiện ph biến
trong các đối tƣợng đất, nƣớc, không khí tại các nhà máy sản xuất thuốc
n

hay các nhà máy liên quan đến sản xuất và bảo quản đạn dƣợc trong quân đội.

Do vậy, cần nghiên cứu và phân tích đầy đủ để đánh giá chính xác mức độ ô nhiễm
tồn lƣu các hợp chất nitro vòng thơm trƣớc khi đƣa ra đƣợc phƣơng án xử lý,
giảm thiểu các nguồn thải gây ô nhiễm.
Trên thế giới, việc xác định các hợp chất nitro thơm đã đƣợc nghiên cứu từ
lâu. Các phƣơng pháp phân tích điển hình là nh m các phƣơng pháp sắc kí nhƣ sắc
kí l ng hiệu năng cao (HPLC) sử dụng các loại detector nhƣ khối ph , UV-Vis , đo
độ dẫn và huỳnh quang; các phƣơng pháp sắc ký khí kết nối khối ph (GC-MS) hay
sử dụng detector cộng kết điện tử (GC-ECD), ion hóa ngọn lửa (GC-FID) và
phƣơng pháp điện di mao quản sử dụng detector UV, độ dẫn… Các phƣơng pháp
này đòi h i phải có quá trình xử lý mẫu, tách loại chất ảnh hƣởng hoặc tách ra kh i
nhau và làm giàu nếu cần trƣớc khi phân tích nên tốn nhiều thời gian và đặc biệt chi
phí cao. Bên cạnh đ , các phƣơng pháp quang ph nhƣ UV-VIS, IR, ph Raman cũng
c thể ứng dụng để phân tích các hợp chất nitro vòng thơm. Không thể xác định riêng
rẽ nếu không tách loại các hợp chất nitro ra kh i nhau hoặc không sử dụng
chemometrics trong khi độ nhạy của các phƣơng pháp này không cao. Nhóm các

phƣơng pháp điện h a mà điển hình là Von-Ampe từ lâu đã đƣợc sử dụng để xác
định các hợp chất hữu cơ nh m nitro trong dƣợc phẩm, thuốc nhuộm, thuốc trừ
10


sâu… do c ƣu điểm là độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, kỹ thuật tƣơng đối đơn
giản. Do độ tƣơng đồng về công thức cấu tạo nên thế đ nh pic của nhóm chất này ở
gần nhau, các píc khử của chúng thƣờng bị xen phủ nhau nên độ chọn lọc của
phƣơng pháp là rất kém, không thể định lƣợng chính xác riêng lẻ từng thành phần
chất trong hỗn hợp. Các nghiên cứu Von- Ampe thƣờng ch đƣợc ứng dụng để phân
tích một chất hoặc xác định thành phần t ng của những hợp chất nitro trong hỗn hợp
nếu không c quá trình tách trƣớc khi phân tích. Để xác định các thành phần đơn lẻ
trong một hỗn hợp cần phải có quá trình tách, chiết… trƣớc khi đƣa vào phân tích.
Đã có một vài nghiên cứu cố gắng xác định đồng thời các hợp chất nitro mà không
cần tách loại bằng cách sử dụng các loại điện cực biến tính nhằm làm giãn khoảng
thế đ nh píc xuất hiện [23, 113, 22]. Tuy nhiên, các nghiên cứu này ch xác định
đƣợc từ 2 đến 3 hợp chất trong cùng hỗn hợp khi thế đ nh pic của các chất khảo sát
ở gần nhau nhƣng không bị xen phủ hoàn toàn. Các nhóm tác giả chƣa xem xét ảnh
hƣởng của sự xen phủ pic khi hỗn hợp có nhiều cấu tử.
Với sự phát triển mạnh mẽ của toán thống kê ứng dụng và phần mềm máy
tính để xử lý tập số liệu lớn (Big data), hóa học phân tích ngày càng c xu hƣớng
phát triển các phƣơng pháp phân tích nhanh, tự động và bán tự động cũng nhƣ định
lƣợng đồng thời nhiều ch tiêu trong nền mẫu phức tạp, hạn chế quy trình tách chất
và xử lý mẫu. Việc ứng dụng toán thống kê đa biến cho các tập số liệu nhiều chiều
cho phép xác định đồng thời các hợp chất có cấu tạo hóa học tƣơng đồng trong nền
mẫu phức tạp bằng các phƣơng pháp phân tích hiện đang sử dụng nếu kết hợp với
hồi qui đa biến [116, 73, 37]. Vài năm gần đây, ở Việt Nam đã c một số công trình
nghiên cứu phân tích đồng thời kết hợp với phƣơng pháp hồi qui đa biến nhƣng ch
mới áp dụng cùng với các phƣơng pháp phân tích cho các tín hiệu quang nhƣ IR,
UV-Vis, AAS [1, 10] mà chƣa c nghiên cứu nào về phân tích điện hóa áp dụng hồi

qui đa biến để phân tích đồng thời các chất trong hỗn hợp.
Chính vì các lý do nêu trên, đề tài luận án Tiến sĩ: "Nghiên cứu phân tích
đồng thời một số hợp chất nitro vòng thơm bằng phương pháp Von-Ampe kết hợp
với hồi quy đa biến" hƣớng đến xây dựng quy trình phân tích đồng thời hợp chất nitro
bằng phƣơng pháp Von-Ampe trên điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE) kết

11


hợp với phƣơng pháp hồi qui đa biến tuyến tính và phi tuyến tính, nhằm định lƣợng
nhanh, chính xác từng hợp chất nitro vòng thơm có mặt trong hỗn hợp mà không
cần tách loại chúng ra kh i nhau. Việc phát triển một phƣơng pháp đơn giản c độ
nhạy, độ chính xác cao, kỹ thuật đơn giản, tốn ít kinh phí hơn nhiều so với các
phƣơng pháp khác và c thể phân tích nhanh hàng loạt mẫu mang lại hiệu quả kinh
tế là việc làm rất cần thiết hiện nay.
2. Mục tiêu của luận án
Xây dựng phƣơng pháp phân tích đồng thời các chất hữu cơ vòng thơm chứa
nhóm nitro trong mẫu nƣớc, ứng dụng để xác định mẫu nƣớc mặt, nƣớc thải của
các nhà máy quốc phòng bằng phƣơng pháp Von-Ampe sử dụng điện cực giọt thủy
ngân treo (HMDE) kết hợp với phƣơng pháp hồi qui đa biến.
3. Nội dung luận án
Để đạt đƣợc mục tiêu trên, luận án cần giải quyết các nội dung sau:
- Nghiên cứu lựa chọn điều kiện phù hợp để xác định một số hợp chất nitro
vòng thơm nhƣ nitrobenzen, 2-nitrophenol, 3-nitrophenol, 4-nitrophenol, dinitro
toluen và trinitrotoluen trên điện cực HMDE. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng nhƣ:
pH, nền điện li, nồng độ đệm, tốc độ quét, biên độ xung, thời gian sục khí ni tơ, thời
gian ngh … để tìm điều kiện tối ƣu xác định các hợp chất hữu cơ nh m nitro bằng
phƣơng pháp Von-Ampe.
- Đánh giá tính cộng tính tín hiệu đo của 6 hợp chất nitro vòng thơm từ đ

lựa chọn và sử dụng mô hình hồi qui đa biến để phân tích tín hiệu Von-Ampe của
mẫu chứa đồng thời các hợp chất nitro vòng thơm.
- Nghiên cứu lựa chọn mô hình hồi qui đa biến tuyến tính gồm mô hình bình
phƣơng tối thiểu thông thƣờng (Classical Least Squares -CLS), bình phƣơng tối
thiểu nghịch đảo (ILS), bình phƣơng tối thiểu từng phần (Partial Least SquaresPLS), hồi qui cấu tử chính (Principal Component Regression-PCR) hay hồi qui đa
biến phi tuyến tính sử dụng mô hình mạng nơ ron nhân tạo (ANN) trên cơ sở ma
trận nồng độ các dung dịch chuẩn chứa 6 chất cần phân tích, từ đ đánh giá khả năng
ứng dụng thông qua sai số chuẩn tƣơng đối của các mô hình hồi qui.
12


- Nghiên cứu xây dựng mô hình hồi quy đa biến trên cơ sở ma trận mẫu

chuẩn trên nền mẫu thật (nƣớc mặt, nƣớc thải thu thập đƣợc) nhằm loại b ảnh
hƣởng của nền mẫu.
- Ứng dụng qui trình phân tích xây dựng đƣợc để phân tích mẫu thực tế và

so sánh kết quả với một số phƣơng pháp tham chiếu gồm LC-MS/MS và HPLC.
4. Điểm mới về mặt khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
 Điểm mới của luận án:

- Xây dựng đƣợc quy trình phân tích đồng thời 6 hợp chất nhóm nitro vòng
thơm (nitrobenzen, 2-nitrophenol, 3-nitrophenol, 4-nitrophenol, dinitrotoluen và
trinitrotoluen) trong mẫu nƣớc bằng phƣơng pháp Von-Ampe trên điện cực HMDE
kết hợp hồi qui đa biến tuyến tính (PLS và PCR) từ ma trận chuẩn của các dung
dịch chuẩn và mẫu chuẩn. Quy trình này cho phép phân tích với sự có mặt đồng
thời của chúng trong nƣớc mà không cần tách loại.
- Bằng cách xây dựng mô hình hồi qui đa biến với nền mẫu thực đã loại trừ
một phần ảnh hƣởng của nền mẫu. Sai số chuẩn tƣơng đối của phƣơng pháp ở cả
hai mô hình PLS và PCR đều nh hơn 10%.

 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đề tài thành công sẽ mở ra một hƣớng nghiên cứu mới trong việc phân tích
đồng thời các hợp chất hữu cơ c nh m nitro bằng phƣơng pháp Von-Ampe mà không
cần tách loại, với ƣu điểm là c độ nhạy cao, kỹ thuật đơn giản, tiết kiệm chi phí hơn
nhiều so với các phƣơng pháp khác và c thể phân tích nhanh mang lại hiệu quả kinh
tế. Ứng dụng quy trình xây dựng đƣợc để phân tích các mẫu thực tế là các mẫu
nƣớc chứa các hợp chất nghiên cứu tại các cơ sở quốc phòng. Đề tài mở ra các
hƣớng nghiên cứu mới trên các đối tƣợng phức tạp hơn nhƣ các mẫu sinh học và
thực phẩm.

13


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu chung về các hợp chất nitro vòng thơm
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo, tính chất vật lý
1.1.1.1. Đặc điểm cấu tạo
Hợp chất nitro vòng thơm là những hợp chất hữu cơ c chứa nhóm chức NO2 liên kết trực tiếp với vòng thơm ( r-NO2). Công thức cấu tạo của một số hợp
chất nitro vòng thơm nghiên cứu trong luận án đƣợc thể hiện trong bảng 1.1 [7].
Bảng 1.1: Công thức cấu tạo của một số hợp chất nitro vòng thơm nghiên cứu
Hợp chất

Công thức phân tử
Công thức Cấu tạo

Hợp chất

Công thức phân tử

Công thức cấu tạo

1.1.1.2. Tính chất vật lý
Do có nhóm nitro liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon nên hợp chất nitro
vòng thơm c độ bền nhiệt cao [55, 53]. Đa số các hợp chất nitro thơm nghiên cứu
không có khả năng tự phân hủy và tự bùng cháy. Tính chất vật lý của một vài hợp
chất nitro vòng thơm đƣợc thể hiện ở bảng 1.2 [7].
14


Bảng 1.2: Tính chất vật lý của một số hợp chất hữu cơ nhóm nitro thơm

Hợp chất

(NB)

(2-NP)

(3-NP)

(4-NP)

(DNT)

(TNT)

1.1.2. Tính chất hóa học của các hợp chất nitro vòng thơm
1.1.2.1. Tính chất hóa học chung
Trong phân tử của các hợp chất nitro thơm đều có chứa 1 hay nhiều gốc NO2, các gốc này có thể bị khử về đến anilin [7]:
-

+

R(NO2)n + 6n e + 6n H → R(NH2)n +2nH2O

(1.1)

Trong quá trình phản ứng có sự hình thành của các dẫn xuất trung gian nhƣ
nitrosobenzen, hydroxylamin theo các phản ứng:
-

+

RNO2 + 2 e + 2 H → RNO + H2O
-

+

RNO +2 e + 2H → RNHOH
15


Ví dụ:
Phản ứng của nitrobenzen với chất khử Sn hay Fe khi có xúc tác tạo ra anilin:

(1.4)

(1.5)
Các hợp chất trung gian đƣợc hình thành theo phản ứng sau:

(Sơ đồ 1)

Tƣơng tự, các nitrophenol bị khử tạo thành các aminophenol:

(Sơ đồ 2)

1.1.2.2. Tính chất hóa học riêng
Ngoài tính chất hóa học chung, các hợp chất nitro nghiên cứu còn có tính chất
riêng đặc trƣng cho từng chất [7].
16


 Nitrobenzen:
- Có thể tham gia vào các phản ứng clo hóa, nitro hóa hay sunphonat hóa xảy

ra ở vị trí meta:

(Sơ đồ 3)

(Sơ đồ 4)

(Sơ đồ 5)

- Các nối đôi trong phân tử nitrobenzen có thể tham gia phản ứng oxi hóa với
·

các gốc tự do nhƣ OH tạo ra monohydroxyl sau đ chuyển sang các axit hữu cơ và
cuối cùng là CO2, H2O và các muối nitrat.
 Nitrophenol:

Nitrophenol có tính chất chung của nhóm phenol (chứa nhóm -OH):
- Có tính axit yếu, pKa của 2,3,4-nitrophenol lần lƣợt là 7,21; 8,0 và 7,15.
- Tác dụng với kim loại kiềm:

NO2C6H4OH + Na → NO2C6H4ONa + 1/2H2

(1.6)

- Tác dụng với dung dịch kiềm:

NO2C6H4OH + NaOH → NO2C6H4ONa + H2O
- Tất cả những chất thuộc loại phenol mà còn nguyên tử H ở vị trí o, p so với

nh m OH đều có thể tham gia vào 2 phản ứng thế brom và thế nitro.
17


• Trinitrotoluen [11]:
Là nhóm chất n , t a nhiệt với phản ứng:
2 C7H5N3O6
2 C7H5N3O6
TNT có thể bị oxi hóa từng nấc để tạo ra trinitrobenzen, một chất cực độc và
có tính n cao hơn TNT):

(Sơ đồ 6)

• Dinitrotoluen: Có tính chất tƣơng tự TNT nhƣng tính n yếu hơn [11].
1.1.3. Ứng dụng và nguồn phát thải của các hợp chất nitro vòng thơm
Các hợp chất nitro vòng thơm đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiệp nhƣ sản xuất thuốc n , dệt may, nhuộm, dƣợc phẩm, thuốc trừ sâu, sản xuất

giấy… Chúng đƣợc sử dụng nhƣ một nguyên liệu trực tiếp hay là tiền chất hoặc
hợp chất trung gian trong quá trình t ng hợp một số hợp chất hữu cơ phức tạp. Tính
chất của các chất này đã đƣợc nghiên cứu và là tác nhân chính gây ô nhiễm môi
trƣờng [55, 57, 62, 85].
- Nitrobenzen:

Khoảng 97% sản lƣợng nitrobenzen đƣợc dùng làm tiền chất để sản xuất
anilin, chất này lại dùng làm tiền chất để sản xuất các hóa chất xử lý cao su, thuốc
trừ sâu, thuốc nhuộm (chủ yếu loại thuốc nhuộm azo), thuốc n , và dƣợc phẩm.
Nguồn phát thải chủ yếu từ các nhà máy sản xuất các chất trên và từ khí thải động
cơ diezen [55].
- Nitrophenol:

Các nitrophenol đƣợc sử dụng làm nguyên liệu trong sản xuất thuốc nhuộm,
dƣợc phẩm, thuốc trừ sâu, thuốc n , đạn dƣợc... Mỗi năm, các nƣớc trên thế giới sản

18


xuất hàng nghìn tấn các chất nitrophenol. Chúng cũng c mặt trong khói thải của các
động cơ điêzen. Chính vì vậy nguồn phát thải của các hợp chất nitrophenol chủ yếu
từ các nhà máy sản xuất các chất trên, chúng có mặt trong môi trƣờng đất, nƣớc và
từ khí thải động cơ diezen [62, 63].
- Dinitrotoluen:

DNT là một chất n yếu, đƣợc sử dụng nhƣ một thành phần của một số chất n
hỗn hợp, thuốc phóng hoặc làm nguyên liệu cho việc điều chế TNT. Ngoài ra nó
còn đƣợc sử dụng nhƣ một chất làm dẻo trong sản xuất thuốc n hoặc một chất trung
gian để sản xuất bọt polyurethane, toluene diisocyanate. Dinitrotoluen là chất gây ô
nhiễm thƣờng phát sinh chủ yếu từ phế thải trong sản xuất thuốc thuốc n , đạn dƣợc

[9, 62].
- Trinitrotoluen:

TNT là một hợp chất hữu cơ thuộc nh m h a chất n , thƣờng phát sinh từ phế
thải trong sản xuất và bảo quản thuốc thuốc n , đạn dƣợc. Một số khu đất thử
nghiệm của quân đội đã bị nhiễm TNT. Nƣớc thải từ vũ khí, bao gồm nƣớc mặt và
nƣớc ngầm, c thể chuyển thành màu tím khi c chứa TNT [62].
1.1.4. Độc tính của các hợp chất nitro vòng thơm
Các hợp chất nitro vòng thơm đƣợc coi là những chất c độc tính cao, đặc
biệt có khả năng gây ra ung thƣ và một số đột biến ở ngƣời và động thực vật [20,
57]. Các hợp chất nitro vòng thơm dễ dàng đƣợc hấp thụ vào cơ thể con ngƣời qua
các con đƣờng hô hấp, tiêu hóa và hấp thụ qua da [55]. Con ngƣời tiếp xúc lâu sẽ
bị các bệnh nghiêm trọng về hệ thần kinh, về gan và thận [42]. Khi chúng ở dạng
hơi, có thể xâm nhập qua đƣờng hô hấp gây đau đầu, nôn mửa, mệt m i chân, tay có
thể dẫn đến tử vong [42, 62]. Chúng có thể xâm nhập qua đƣờng ăn uống nếu nhƣ
ngƣời sử dụng không rửa sạch tay trƣớc khi ăn [101].
Biểu hiện đầu tiên của sự nhiễm độc các hợp chất nitro là lƣợng hồng cầu,
lƣợng hemoglobin trong máu giảm, xuất hiện những tế bào hồng cầu dị thƣờng và
bạch cầu cùng với một số triệu chứng khác nhƣ lở ngứa trên da, chảy máu cam hay
xuất huyết do hệ thống mao mạch dễ vỡ... Ngoài những bệnh về máu, khi bị nhiễm
độc còn có thể bị viêm gan, các chức năng làm việc của gan bị suy giảm dẫn đến tử
19


vong. Một số nghiên cứu cho thấy, hợp chất nitro cũng c thể là những tác nhân gây
rối loạn nội tiết, ung thƣ… Các hợp chất này đã đƣợc cơ quan Bảo vệ môi trƣờng
Mỹ (United States Environmental Protection Agency) xếp vào loại hóa chất có thể
gây ung thƣ cho con ngƣời, nh m ung thƣ 2B [42]. Nh m ung thƣ 2B đƣợc đƣa ra
từ t chức quốc tế nghiên cứu về ung thƣ (International Agency for Research on
Cancer ) gồm cả các chất hữu cơ và vô cơ.

Một số quy chuẩn quy định hàm lƣợng giới hạn cho phép của các hợp chất
trong không khí và nƣớc:
- Nồng độ của NB cho phép trong không khí là 5 mg/m

3

(Theo QCVN 20:

2009/BTNMT- Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về Khí thải công nghiệp đối với
một số chất hữu cơ).
3

- Hàm lƣợng DNT cho phép ở không khí nơi sản xuất là 1,5 mg/m , trong

nƣớc thải là 0,15 mg/l (Tiêu chuẩn của Mỹ) [101].
3

- Hàm lƣợng TNT cho phép trong không khí nơi sản xuất là 0,5 mg/m , trong

nƣớc thải là 0,5 -1 mg/l (TCVN/QS 658:2011 -Nhà máy xí nghiệp cơ sở
thuốc phóng thuốc n - Yêu cầu về bảo vệ môi trƣờng và phƣơng pháp xác
định).
Các hợp chất khác hiện chƣa c quy chuẩn hàm lƣợng giới hạn cho phép.
1.2. Các phƣơng pháp phân tích hợp chất nitro vòng thơm
1.2.1. Các phương pháp phân tích quang phổ
C thể sử dụng các phƣơng pháp phân tích quang ph nhƣ ph hấp thụ phân
tử (UV-Vis), ph hồng ngoại (IR), NMR, ph Raman dựa trên tính chất quang học của
chất cần phân tích nhƣ tính hấp thụ quang và tính phát quang để xác định các hợp
chất nitro vòng thơm, trong đ phƣơng pháp UV-Vis đƣợc sử dụng nhiều nhất.
 Phương pháp UV-Vis

Nguyên tắc: Để xác định các hợp chất nitro vòng thơm bằng phƣơng pháp UVVis, cần cho chúng tác dụng với các thuốc thử hữu cơ đặc trƣng để tạo hợp chất mang
màu có khả năng hấp thụ ánh sáng. Khi chiếu một chùm sáng qua dung dịch chất hấp
thụ ánh sáng thì chất đ sẽ hấp thụ chọn lọc một số tia sáng tùy theo màu

20


sắc của chất, mức độ hấp thụ của dung dịch màu sẽ t lệ thuận với cƣờng độ dòng
sáng và nồng độ các chất hấp thụ [6].
Hợp chất nitro vòng thơm sẽ đƣợc chiết ra kh i nền mẫu sau đ phản ứng
với thuốc thử hữu cơ để tạo hợp chất màu dạng anion Meisenheimer trong môi
trƣờng kiềm cùng với sự hỗ trợ của chất hoạt động bề mặt hoặc tác nhân phân tán.
Ví dụ, TNT trong mẫu nƣớc và đất đƣợc chiết bằng dung môi hữu cơ (CCl 4) dƣới
dạng cặp ion với sự có mặt của một tác nhân phân tán trioctylmetylammonium
chlorua trong môi trƣờng kiềm sẽ tạo phức màu đ cam và hấp thụ ở bƣớc sóng 520
nm [58]. Cơ chế phản ứng:

(Sơ đồ 7)
Giới hạn phát hiện của phƣơng pháp là 0,9 mg/l; đƣờng chuẩn tuyến tính
trong khoảng 3-200 mg/l [58].
Ngoài ra, còn có thể đƣa thêm vào nền mẫu nhƣ axeton hay metanol để
tăng độ hòa tan của các hợp chất nitro vòng thơm, với sự có mặt của một chất hoạt
động bề mặt cation nhƣ cetylpyridinium bromua (CPB) trong môi trƣờng kiềm,
hợp chất nitro vòng thơm sẽ đƣợc chiết ra và phản ứng với thuốc thử isobutyl
methyl keton (IBMK) tạo thành một dạng phức mang màu, bền trong vòng 30 phút.
TNT cho phức màu đ hấp thụ ở bƣớc s ng hơn 500 nm, nh m nitrophenol bao gồm
trinitrophenol, 2,4-dinitrophenol (DNP) và 4-nitrophenol (NP) tạo màu cam đ hấp
thụ ở bƣớc s ng khoảng 490 nm. Giới hạn phát hiện của phƣơng pháp là cỡ 1,5
mg/l, khoảng tuyến tính của TNT là từ 2,7-26,7 mg/l [103]. Cơ chế phản ứng đƣợc

giả định nhƣ sau:
21