Xác định cd, cu, pb và zn trong sữa bột bằng phương pháp pha loãng đồng vị (id-Icp-ms) - Vũ Văn Tú

100 Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 20, Số 1/2015 XÁC ĐỊNH Cd, Cu, Pb và Zn TRONG SỮA BỘT BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHA LOÃNG ĐỒNG VỊ (ID-ICP-MS) Đến tòa soạn 13 – 10 – 2014 Vũ Văn Tú, Phạm Hải Long, Nguyễn Thị Huệ Viện Công nghệ môi trường, Viện KHCNVN, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội SUMMARY DETERMINATION OF Cd, Cu, Pb AND Zn IN MILK BY ISOTOPE DILUTION METHOD (ID - ICP - MS) Metals Cd, Cu ,Pb and Zn in milk has been analyzed by isotope dilution ICP–MS. Isotopes 110 Cd, 65 Cu, Pb 207 and 68 Zn were used in diluted isotopes. Found a mixture of digestates and suitable temperature to digest 0.2 g of milk . LODs and LOQs respectively from 2.0 to 16 µg.kg -1 and 6.0 to 48 µg.kg -1 . Recoveries in the range 88 to 104 % . The relative standard deviation is less than 2 %. Từ khóa: 110Cd, 65Cu, Pb207 và 68Zn, ICP-MS, phương pháp pha loãng đồng vị, sữa. 1. MỞ ĐẦU Hàm lƣợng kim loại nặng trong thực phẩm đƣợc quy định rất nhỏ (QCVN 8- 1:2011 BYT), đối với trẻ em thì lƣợng kim loại độc hại càng yêu cầu kiểm soát chặt chẽ do tính nhạy cảm của trẻ em và giới hạn tính độc của các kim loại đƣợc xác định theo hàm lƣợng kim loại đƣợc đƣa vào/Kg trọng lƣợng cơ thể/ngày (WHO và FAO). Khẩu phần ăn của trẻ em từ 6-24 tháng tuổi tập trung chủ yếu là rau, sữa và bột ngũ cốc. Trong đó, sữa chiếm phần chính của khẩu phần ăn và là nguồn cung cấp dƣỡng chất, năng lƣợng chủ yếu. Sự cần thiết và tiện dụng của sữa đã làm cho thị trƣờng sữa bùng phát, thực tế khó có thể thống kê đầy đủ các nhãn hiệu và chủng loại sữa cũng nhƣ các dạng bột ngũ cốc. Việc lựa chọn đƣợc sữa an toàn là rất cảm tính. Theo quy định của bộ Y tế, trong giới hạn chì tối đa rất thấp 0,02 mg/Kg Kim loại trong sữa thƣờng ở dạng vết. Kỹ thuật quang phổ hấp thụ nguyên tử lò graphit chỉ phát hiện tối đa với Pb là 0,1 mg/Kg trong mẫu, còn nhỏ hơn thƣờng phép đo không ổn định, sai số có thể lên tới 100% -200%. Phƣơng pháp 101 quang phổ plasma ghép nối khối phổ (ICP-MS) sử dụng kỹ thuật đo pha loãng đồng vị có độ nhạy, chính xác cao và lặp lại rất tốt. Trong nghiên cứu này, chúng tôi nghiên cứu quy trình xác định đồng thời Cd, Cu, Pb và Zn trong mẫu sữa. Bằng phƣơng pháp pha loãng đông vi (ZD-ICP/MS) 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Thiết bị và hóa chất 2.1.1. Thiết bị Máy ICP - MS: ELAN 9000 Perkin Elmer, Mỹ, Bộ đƣa mẫu tự động FAST SC-2DXS , Perkin Elmer, Mỹ.. Thiết bị phân hủy mẫu Microwave Speed Wave, Đức. Micropipet 2 - 20 L, 20 - 200 L, 100 - 1000 L, 1000 - 5000 L, Epensdorf, Đức. Chén teflon 50 mL, 100 mL. Bình định mức 10, 20, 50, 100 mL. Duran, Đức. 2.1.2. Hóa chất Các đồng vị 110Cd, 65Cu, và 68Zn của hãng Trace Sciences International Corp.; Canada, Đồng vị 207Pb của hãng SPEX CertiPrep, USA. Chuẩn ERM-BD151 của Europe. Axit HNO3, HCl, H2SO4, H3PO4, HF, H2O2, chuẩn kim loai Cd, Cu, Pb, Zn của Merck và Cica, nƣớc cất siêu sạch có điện trở 18,2 M Millipore. Khí Ar > 99,999 % (> 5,0) Messer, Singapor. 2.2. Nội dung nghiên cứu Hàm lƣợng Cd, Cu, Pb và Zn trong sữa thƣờng ở dạng vết. Để có đƣợc phƣơng pháp phân tích chính xác, chúng tôi nghiên cứu các vấn đề sau: - Nghiên cứu phân hủy mẫu * Cân 0,2 gam sữa bột vào các bình phân hủy mẫu của lò vi sóng SW-4 khác nhau, một nửa số mẫu thêm 25 L dung dịch chuẩn (Cd 1 ppm, Cu 20 ppm, Zn 100 ppm và Pb 2 ppm), một nửa số mẫu còn lại không thêm chuẩn. Từng cặp mẫu thêm chuẩn và không thêm chuẩn đƣợc thêm 5ml axit các loại axit đặc HNO3, HCl, H3PO4, H2SO4, hỗn hợp HNO3 và HCl (tỷ lệ 1:3), hỗn hợp HNO3 và H2O2 (tỷ lệ 4:1), hỗn hợp HNO3 , H2SO4 và HF (tỷ lệ 4:1:1) và phân hủy trong lò vi sóng. Sau khi phân hủy mẫu đƣợc hòa tan và định mức tới 25 ml bằng nƣớc cất và đem phân tích trên thiết bị ICP-MS. * Cân 0,2 gam sữa bột vào các bình phân hủy mẫu của lò vi sóng SW-4 khác nhau, một nửa số mẫu thêm 25 L dung dịch chuẩn (Cd 1 ppm, Cu 20 ppm, Zn 100 ppm và Pb 2 ppm), một nửa số mẫu còn lại không thêm chuẩn. Từng cặp mẫu thêm chuẩn và không thêm chuẩn đƣợc phân hủy trong lò vi sóng với nhiệt độ khác nhau. Sau khi phân hủy mẫu đƣợc hòa tan và định mức tới 25 ml bằng nƣớc cất và đem phân tích trên thiết bị ICP-MS. * Khảo sát lƣợng đồng vị thêm vào phù hợp. Để đánh giá ảnh hƣởng của lƣợng đồng vị thêm vào thì cần biết khoảng nồng đồng trong mẫu cần phân tích. Trƣớc tiên các mẫu sữa bột đƣợc phân tích trên ICP-MS thông thƣờng. Xác định giá trị trung bình của các nguyên tố trong các loại mẫu. Chuẩn bị mẫu chuẩn có nồng độ tƣơng ứng giá trị trung bình 102 tìm đƣợc và thêm lƣợng đồng vị của các nguyên tố vào mẫu tƣơng ứng với giá trị R ( R = lƣợng đồng vị thêm) nồng độ nguyên tố ) từ 0,1 đến 10 lần. Phân tích xác định bằng kỹ thuật pha loãng đồng vị, lƣợng thêm chuẩn phù hợp là khi tìm đƣợc giá trị gần bằng với giá trị mẫu chuẩn. * Khảo sát các ảnh hƣởng do trùng số khối của các thành phần chính trong mẫu sữa. Để đánh giá ảnh hƣởng của các thành phần trong nền mẫu cần biết các thành phần chính trong mẫu cần phân tích. Trƣớc tiên các mẫu đƣợc phân tích trên ICP-MS thông thƣờng. Pha mẫu có nồng độ các nguyên tố có nồng độ tƣơng ứng với nồng độ trong mẫu. Thêm lƣợng Na, Ca, Mg, Ba, Sr ở mức tối đa có trong mẫu và cộng thêm 20, 40 60 và 100%. Xác định mức độ ảnh hƣởng của nền. * Xác định giới hạn phát hiện và định lƣợng của các nguyên tố trên thiết bị ICP-MS dựa trên các điều kiện tối ƣu đã khảo sát. * Đánh giá độ lặp, độ lệch chuẩn, độ thu hồi của phƣơng pháp. * Phân tích các mẫu chuẩn đƣợc công nhận bằng kỹ thuật ID-ICP-MS. * Phân tích mẫu thực tại một số khu vực trên địa phận thành phố Hà Nội. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu phân hủy mẫu sữa bằng các hỗn axit, chất oxi hóa khác nhau Nghiên cứu phân hủy mẫu, các loại axit và hỗn hợp các chất oxihoa đã đƣợc thử nghiệm và cho kết quả nhƣ sau: Bảng 3.1. Kết quả khảo sát bằng quá trình xử lí mẫu Bằng các loại axit khác nhau Bằng các loại axit khác nhau Loại axit HNO3 HCl H3PO4 H2SO4 HNO3&HCl HNO3&H2O2 HNO3, H2SO4 & HF Cd 95 85 87 85 94 97 96 Cu 97 87 85 82 95 99 95 Pb 97 83 83 80 93 98 97 Zn 98 88 88 84 96 96 96 Bảng 3.1 chỉ ra phân hủy mẫu sử dụng axit HNO3 hay hỗn hợp HNO3 và HCl hoặc hỗn hợp HNO3 và H2O2 hoặc hỗn hợp HNO3 , H2SO4 và HF đều cho hiệu suất thu hồi đối với các đồng vị tốt (từ 87 đến 98 %). Thực nghiệm quan sát nhận thấy hỗn hợp HNO3 và H2O2 là cho mẫu đồng nhất và ít nguy hiểm hơn. Vì vậy, các nghiên cứu tiếp theo đều sử dụng hỗn hợp HNO3 và H2O2 cho việc phân hủy mẫu. 3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ đến qúa trình phân hủy mẫu sữa bột Sau khi đã chọn đƣợc loại hỗn hợp chất phân hủy mẫu, chúng tôi tiến hành khảo sát nhiệt độ phân hủy trong lò vi sóng cho phù hợp. Các kết quả thu đƣợc nhƣ trong bảng 3.2. 103 Bảng 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phân hủy Nguyên tố Nhiệt độ phân hủy trong lò vi sóng (oC) Hiệu suất thu hồi (%) Cd 60 80 100 120 140 160 180 Cu Mẫu chƣa tan hết 96 97 98 Pb 95 97 97 Zn 93 95 96 Cd 96 98 96 Bảng 3.2 chỉ ra nhiệt độ phân hủy mẫu thích hợp từ 140 đến 180oC. Tuy nhiên, để đảm bảo đề tài chọn nhiệt độ 160oC cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.3. Khảo sát lƣợng đồng vị thêm vào phù hợp cho phân tích mẫu sữa bột Để đánh giá ảnh hƣởng của lƣợng đồng vị thêm vào, cần biết khoảng nồng đồng vị trong mẫu cần phân tích. Trƣớc tiên các mẫu sữa bột đƣợc phân tích trên ICP-MS thông thƣờng. Sau khi có số liệu về khoảng nồng độ, chúng tôi đã thực nghiệm khảo sát lƣợng thêm đồng vị. Pha mẫu nƣớc có nồng độ các nguyên tố có nồng độ tƣơng ứng với nồng độ trong mẫu sữa bột sau phân hủy (Cd: 0,1 µg/L, Cu: 60 µg/L, Pb: 1,5 µg/L, Zn: 400 µg/). Thêm lƣợng đồng vị của các nguyên tố vào mẫu tƣơng ứng với giá trị R ( R = lƣợng đồng vị thêm và ( nồng độ nguyên tố ) từ 0,05 đến 20 lần. Kết quả phân tích đƣợc thể hiện trong bảng 3.3 nhƣ sau: Bảng 3.3. Kết quả khảo sát lượng đồng vị R - 0,05 0,1 0,25 0,5 1 2 4 5 10 20 Cd Đồng vị giàu 110Cd (µg/L) 0.000 0.005 0.01 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.5 1 2 tỷ lệ 110Cd/114Cd 0.435 0.569 0.763 1.288 2.158 3.915 7.466 14.64 18.38 37.46 99.88 Cd (µg/L) 0.130 0.106 0.102 0.101 0.100 0.099 0.098 0.097 0.094 0.070 Độ chính xác (%) 130 106 102 101 100 99 98 97 94 70 Cu Đồng vị giàu 65Cu (µg/L) 0.000 3 6 15 30 60 120 240 300 600 1200 tỷ lệ 65Cu/63Cu 0.446 0.500 0.580 0.797 1.154 1.891 3.396 6.407 7.975 16.16 42.97 Cu (µg/L) 79.20 64.80 61.80 61.20 60.00 58.80 58.20 57.60 55.20 40.80 Độ chính xác (%) 132 108 103 102 100 98 97 96 92 68 Pb Đồng vị giàu 207Pb (µg/L) 0.000 0.08 0.15 0.38 0.75 1.50 3.00 6.00 7.50 15.00 30.00 tỷ lệ 207Pb/208Pb 0.422 0.492 0.595 0.876 1.348 2.330 4.316 8.373 10.47 21.63 59.14 Pb (µg/L) 2.025 1.650 1.575 1.545 1.500 1.470 1.440 1.425 1.350 0.975 Độ chính xác (%) 135 110 105 103 100 98 96 95 90 65 Zn Đồng vị giàu 68Zn (µg/L) 0.000 20 40 100 200 400 800 1600 2000 4000 8000 tỷ lệ 68Zn/66Zn 0.670 0.803 0.990 1.524 2.410 4.255 8.060 15.76 19.54 41.40 110.9 Zn (µg/L) 540.0 448.0 420.0 412.0 400.0 388.0 380.0 380.0 352.0 260.0 Độ chính xác (%) 135 112 105 103 100 97 95 95 88 65 104 Kết quả bảng 3.3 chỉ ra rằng, hàm lƣợng thêm chuẩn trong khoảng từ 1 đến 4 lần mẫu thực thì kết quả đo đƣợc đạt 95 đến 106 phần trăm so với kết quả trong mẫu thực. Nếu việc thêm chuẩn lớn quá hoặc nhỏ quá 5 lần thì kết quả tìm đƣợc không còn chính xác. 3.4. Khảo sát các ảnh hƣởng do trùng số khối của các thành phần chính trong mẫu sữa Để đánh giá ảnh hƣởng của các thành phần trong nền mẫu thì cần biết các thành phần chính trong mẫu cần phân tích. Trƣớc tiên các mẫu sữa bột đƣợc phân tích trên ICP-MS thông thƣờng. Sau khi có số liệu về các thành phần chính có khả năng ảnh hƣởng, đề tài đã thực nghiệm khảo sát lƣợng thêm đồng vị. Thêm lƣợng Na, Ca, Mg, Ba, Sr ở mức tối đa có trong mẫu và cộng thêm 20, 40 60 và 100%. Kết quả phân tích đƣợc thể hiện trong bảng 3.4 nhƣ sau: Bảng 3.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nền mẫu Loại sữa Lƣợng các yếu tố ảnh hƣởng Nguyên tố Kết quả tìm thấy so với mẫu thực (%) Max Max + 20% Max + 40% Max + 60% Max + 100% Sữa bột Cd 100 103 101 102 105 Cu 100 101 104 105 108 Pb 100 102 104 102 103 Zn 100 103 105 103 107 Nhận xét: Kết quả bảng 3.4 chỉ ra rằng, hàm lƣợng thành phần chính của mẫu gần nhƣ không ảnh hƣởng tới kết quả phân tích. Khi lƣợng Na, Ca,.. vƣợt tới 100% mức vẫn tồn tại trong sữa mới ảnh hƣởng tới kết quả nhƣng mức ảnh hƣởng dƣơng chƣa tới 10%. 3.5. Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lƣợng. Xác định giới hạn phát hiện và định lƣợng của phƣơng pháp dựa trên việc phân tích 7 lần mẫu hàm lƣợng thấp và 7 mẫu trắng. Giới hạn phát hiện và định lƣợng của phƣơng pháp nhƣ sau: Nguyên tố LOD LOQ Cd (µg/L) 0,013 0,039 Cd (mg/Kg) 0,002 0,006 Cu (g/L) 0,03 0,09 Cu (mg/Kg) 0,004 0,012 Pb (µg/L) 0,02 0,06 Pb (mg/Kg) 0,0025 0,0075 Zn (µg/L) 0,13 0,39 Zn (mg/Kg) 0,016 0,048 3. . Đánh giá độ lặp lại, độ thu hồi Nghiên cứu xác định độ lệch chuẩn, độ lặp lại và độ thu hồi của các nguyên tố bằng phƣơng pháp pha loãng đồng vị ID-ICP-MS. Chúng tôi đã nghiên cứu 105 xác định độ lệch chuẩn, độ lặp lại và độ thu hồi của các nguyên tố trong mẫu sữa nhƣ sau: Độ lặp lại của và độ thu hồi của Zn là 0,76% và 95% Độ lặp lại của và độ thu hồi của Cu là 0,63% và 97% Độ lặp lại của và độ thu hồi của Pb là 1,67% và 88% Độ lặp lại của và độ thu hồi của Cd là 1,87% và 103% 3. . Phân tích mẫu chuẩn. Để đánh giá phƣơng pháp, chúng tôi phân tích một số ERM- BD151 kết quả nhƣ sau: Bảng 3.7. Kết quả phân tích mẫu chuẩn được công nhận Kim loại Kết quả phân tích (ID- ICPMS) Giá trị đƣợc công nhận (ERM- BD151) mg/Kg mg/Kg Cd 0,109 0,106±0,013 Pb 0,210 0,207±0,014 Cu 5,09 5±0,23 Zn 45,63 44,9±2,3 Kết quả phân tích nằm trong giới hạn cho phép. Nhƣ vậy, kỹ thuật đo pha loãng đồng vị ICP-MS đảm bảo cho kết quả tốt. 3.8. Áp dụng các điều kiện tối ƣu trong phân tích mẫu thực tế Kết quả phân tích cho thấy hàm lƣợng các nguyên tố trong sữa bột nằm trong khoảng: Cd: 4,6 đến 64,6 µg/Kg, trung bình 8,7 µg/Kg Pb: 46 đến 296 µg/Kg, trung bình 128 µg/Kg Cu: 1,10 đến 24,63 mg/Kg, trung bình 5,21 mg/Kg Zn: 14,63 đến 92,00 mg/Kg, trung bình 52,99 mg/Kg 4. KẾT LUẬN Đã chọn đƣợc hỗn hợp axit HNO3:H2O2 theo tỷ lệ 4:1 là hỗn hợp chất phân hủy. Nhiệt độ phân hủy của lò vi sóng phù hợp là 160oC. Tỷ lệ đồng vị thêm vào thích hợp trong khoảng 1-4 lần nồng độ các nguyên tố có trong mẫu. Giới hạn phát hiện thu đƣợc nằm trong khoảng 0,002 đến 0,016 mg/Kg. Kỹ thuật phân tích này cho kết quả tốt với mẫu chuẩn ERM-BD151. Hàm lƣợng Cd, Cu, Pb và Zn trong sữa bột trung bình 0,0087; 5,21; 0,128 và 52,99 mg/kg tƣơng ứng. LỜI CẢM ƠN Bài báo đƣợc hoàn thành trên cơ sở nghiên cứu của đề tài VAST 07.02/12- 13. Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam – 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Hội đã hỗ trợ kinh phí thực hiện đề tài. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tạ Thị Thảo, Nguyễn Văn Thuần. Ứng dụng phƣơng pháp khối phổ cao tần cảm ứng ( ICP-MS) để phân tích đánh giá hàm lƣợng kim loại nặng trong một số cây thuốc nam và đất trong cây thuốc. Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học, 2010. (xem tiếp tr.110)