Tài liệu Luận văn phân tích xác định hàm lượng pb, cd và zn trong sữa bằng phương pháp pha loãng đồng icp ms

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ˜ ™ HÀ TIẾN LƯỢNG PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG Pb, Cd VÀ Zn TRONG SỮA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHA LOÃNG ĐỒNG VỊ ICP-MS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ˜ ™ HÀ TIẾN LƯỢNG PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG Pb, Cd VÀ Zn TRONG SỮA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHA LOÃNG ĐỒNG VỊ ICP-MS Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số : 60 44 01 18 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN THỊ HUỆ Hà Nội MỤC LỤC MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………. Chương 1. TỔNG QUAN ……………………………………………………….. 1.1. Thành phần hóa học chính trong sữa ………………………………………….. 1.2. Tình hình ô nhiễm kim loại Pb, Cd và Za trong các sản phẩm tiêu dùng (thực 1 3 3 phẩm) ở Việt Nam …………………………………………………………………. 1.3. Trạng thái tự nhiên và một số tính chất lý, hóa của Pb, Cd và Zn....................... 1.3.1. Trạng thái tự nhiên của các kim loại Pb, Cd và Zn ……………………….. 1.3.2. Một số tính chất lý, hóa của Pb, Cd và Zn………………………….......... 1.3.2.1. Tính chất vật lý của Pb, Cd và Zn……………………………………. 1.3.2.2. Một số tính chất hóa học của Pb, Cd và Zn ………………………….. 1.4. Vai trò của các nguyên tố Pb, Cd và Zn đối với con người ………………….. 1.4.1. Độc tính của Pb ………………………………………………………….. 5 6 6 7 7 8 9 9 11 12 13 17 17 1.4.2. Độc tính của Cd ………………………………………………………….. 1.4.3. Chức năng sinh học của Zn ……………………………………………………... 1.4.4. Giới hạn tối đa cho phép các kim loại trong thực phẩm …………………. 1.5. Các phương pháp phân tích lượng vết kim loại nặng …………………........... 1.5.1. Các phương pháp phân tích quang học ……………………………........... 1.5.1.1. Phương pháp huỳnh quang ……………………………………........... 1.5.1.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS …………………... 1.5.1.3. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES ……………………. 1.5.1.4. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS ……………………. 17 18 19 20 1.5.2. Các phương pháp phân tích điện hoá …………………………………….. 21 1.5.2.1. Phương pháp cực phổ …………………………………………............ 21 1.5.2.2. phương pháp Von-Ampe hòa tan …………………………………….. 22 23 1.5.3. Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) ………………. 1.5.4. Kỹ thuật pha loãng đồng vị ………………………………………………. 28 1.6. Các phương pháp sử lý mẫu thực phẩm để xác định kim loại ……………….. 32 1.6.1. Nguyên tắc sử lý mẫu …………………………………………………….. 32 1.6.2. Phương pháp tách chiết, làm giàu bằng dung môi ...................................... 33 1.6.3. Một số phương pháp sử lý mẫu sữa xác định hàm lượng kim loại nặng … 34 Chương 2: THỰC NGHIỆM .................................................................................. 36 2.1. Mục tiêu nghiên cứu ……………………………………………………........... 36 2.2. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu …………………………….. 36 2.2.1. Đối tượng nghiên cứu ………………………………………………........... 36 2.2.2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 36 2.2.3. Phương pháp nghiên cứu ………………………………………………….. 37 2.3. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị …………………………………………………. 38 2.4. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu ………………………………........... 42 43 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 3.1. Khảo xát và lựa chọn các điều kiện tối ưu trên thiết bị ICP-MS …………….. 43 3.1.1. Chuẩn hóa số khối – Tunning ……………………………………………. 43 3.1.2. Tối ưu tốc độ khí mang tạo sol khí ………………………………………. 44 3.1.3. Khảo sát nguồn năng lượng (ICP) ……………………………………….. 3.1.4. Khảo sát thế điều khiển thấu kính điện tử - ion ………………………….. 3.1.5. Khảo sát thời gian phân tích mẫu …………………………………........... 3.1.6. Khảo sát thời gian rửa sạch mẫu …………………………………………. 3.2. Nghiên cứu phân hủy mẫu …………………………………………………… 3.2.1. Nghiên cứu hỗn hợp chất phân hủy mẫu sữa …………………………….. 3.2.2. Nghiên cứu lượng hỗn hợp chất phân hủy mẫu sữa ………………........... 3.2.3. Nghiên cứu nhiê êt đô ê phân hủy mẫu sữa …………………………………. 3.3. Khảo sát lượng đồng vị thêm vào phù hợp cho phân tích mẫu sữa ………….. 3.4. Đánh giá sự ảnh hưởng của các ion kim loại khác trong nền mẫu đến quá 45 46 46 48 49 49 53 54 55 trình xác định Pb, Cd và Zn...................................................................................... 3.5. Đánh giá phương pháp phân tích …………………………………………….. 3.5.1. Khoảng tuyến tính và đường chuẩn ……………………………………… 3.5.2. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng ………………………………. 3.5.3. Đánh giá hiệu suất thu hồi và độ lập lại của phương pháp ………………. 3.6. So sánh các kết quả phân tích mẫu chuẩn và mẫu thực giữa ba kỹ thuật ……. 3.7. Phân tích mẫu chuẩn được công nhận ……………………………………….. 3.8. Quy trình phân tích mẫu thực tế ………………………………………........... 3.9. Kết quả phân tích mẫu thực tế ……………………………………………….. Chương 4: KẾT LUẬN .......................................................................................... TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 58 61 61 62 63 65 66 66 67 71 72 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của các nguyên tố chì, cadimi và kẽm ………… Bảng 1.2. Mức giới hạn tối đa cho phép các kim loại trong thực phẩm …………… Bảng 1.3. Giới hạn cho phép của một số kim loại nặng trong sữa ………………… Bảng 1.4. Giới hạn rủi ro đối với một số kim loại nặng ............................................. Bảng 1.5. So sánh khả năng phát hiện của các kỹ thuật phân tích ………………… Bảng 1.6. Nguyên tố, số khối, tỷ lệ đồng vị và các yếu tố ảnh hưởng do trùng số 7 14 16 17 28 30 khối Bảng 3.1. Kết quả khảo sát tốc độ khí sol hóa mẫu ……………………………… Bảng 3.2. Kết quả khảo sát công suất máy phát cao tần …………………………… Bảng 3.3. Kết quả khảo sát thời gian phân tích …………………………………… Bảng 3.4. Kết quả khảo sát thời gian rửa sạch mẫu ……………………………… Bảng 3.5. Các điều kiê ên phân tích tối ưu trên thiết bị ICP-MS …………………… Bảng 3.6. Kết quả khảo sát các loại axit cho quá trình xử lí mẫu hệ hở …………… Bảng 3.7. Kết quả khảo sát các loại axit cho quá trình xử lí mẫu hệ kín ………… Bảng 3.8. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng hỗn hợp phân hủy ……………… Bảng 3.9. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiê êt đô ê phân hủy …………………… Bảng 3.10. Kết quả phân tích mô êt số mẫu sữa trên ICP-MS ……………………… Bảng 3.11. Kết quả khảo sát lượng đồng vị ……………………………………… Bảng 3.12. Kết quả phân tích các thành phần ảnh hưởng của nền mẫu …………… Bảng 3.13. Nồng độ các ion ảnh hưởng …………………………………………… Bảng 3.14. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của các ion kim loại trong nền mẫu … Bảng 3.15. Kết quả xác định LOD và LOQ của Pb, Cd và Zn …………………… Bảng 3.16. Kết quả đánh giá hiệu suất thu hồi của phương pháp ………………… Bảng 3.17. Kết quả đánh giá độ lập lại của phương pháp ………………………… Bảng 3.18. Kết quả phân tích mẫu chuẩn so sánh giữa 3 kỹ thuật ………………… Bảng 3.19. Kết quả phân tích mẫu thực giữa 3 kỹ thuật …………………………… 44 45 47 48 49 50 52 54 55 55 57 58 59 60 63 64 64 65 66 Bảng 3.20. Kết quả phân tích mẫu chuẩn được công nhận ………………………… Bảng 3.21. Kết quả phân tích hàm lượng các kim loại nặng trong mẫu sữa bột ........ Bảng 3.22. Kết quả phân tích hàm lượng các kim loại nặng trong mẫu sữa nước ..... Bảng 3.23. Danh sách các mẫu có hàm lượng Pb vượt quy định. .............................. 66 68 69 69 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT QCVN Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam ICP-MS Phương pháp cảm ứng cao tần ghép nối khối phổ (Inductively Coupled Plasma emission Mass Spectrometry) ID-ICP-MS Phương pháp pha loãng đồng vị trên thiết bị cảm ứng cao tần ghép nối khối phổ (Isotope Dilution Inductively Coupled Plasma emission Mass Spectrometry) GFA-AAS Phương pháp hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuâ êt nguyên tử hóa lò nhiệt điện (Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry) F-AAS Phương pháp hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuâ êt nguyên tử hóa ngọn lửa (Flame Atomic Absorption Spectrometry) UV-VIS Phương pháp trắc quang (Ultraviolet Visible Spectrometry) AAS Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrometry) ICP-AES Phương pháp quang phổ phát xạ plasma (Inductively Coupled Plasma atomic Emission Spectroscopy) AES Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (Atomic Emission Spectrometry) LOD Giới hạn phát hiện (Limit of Detection) LOQ Giới hạn định lượng (Limit of Quantitation) RSD Độ lặp lại tương đối (Relative Standard Deviation) WHO Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization) FAO Tổ chức nông lương thế giới (Food and Agriculture Organization) MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, đã có sự gia tăng ô nhiễm các kim loại nặng độc hại như chì, cadimi, kẽm, thủy ngân, đồng … trong lương thực và thực phẩm. Ô nhiễm do các chất hóa học, hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón, chất phụ gia liên quan đến các sản phẩm tiêu dùng đã ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người và môi trường. Các nguyên tố vi lượng như chì, cadimi, đồng, kẽm là thành phần rất cần trong cơ thể, nhưng nếu dư thừa hoặc thiếu hụt sẽ gây ra một số bệnh như bệnh Schizophrenia, bệnh Willson hay biểu hiện tím tái người ngất xỉu đột ngột do nhiễm độc chì,… Sữa là một thực phẩm quan trọng có nguồn gốc từ động vật, nó có hầu hết các chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ sơ sinh và người già. Tuy nhiên do nhu cầu tiêu thụ sản phẩm về sữa ngày càng gia tăng nên đã có một số loại sữa không đủ chất lượng, hàm lượng một số kim loại nặng trong sữa cao hơn mức cho phép. Để đánh giá chính xác hiện tượng này trong các sản phẩm về sữa, người ta phải sử dụng một số thiết bị đo có độ chính xác cao để phân tích như AAS, AES, ICP-AES, UV-VIS, ICP-MS … vì hàm lượng của chúng khá nhỏ (dạng vết). Trong đó ICP-MS có tính ưu việt hơn các phương pháp khác về khả năng phân tích nhanh, phân tích đồng thời được nhiều nguyên tố kim loại ở dạng vết trong cùng một mẫu với độ chính xác cao, ít bị ảnh hưởng bởi các nguyên tố khác. Bằng kĩ thuật pha loãng đồng vị ICP-MS có thể xác định chính xác hơn nồng độ các kim loại trong mẫu. Để xác định thật chính xác lượng vết các ion kim loại chì, cadimi và kẽm trong sữa, việc xây dựng một quy trình phân tích hoàn thiện từ quá trình chuẩn bị mẫu, xử lý mẫu và phép phân tích là hết sức cần thiết. Chính vì vậy đề tài “Phân tích xác định hàm lượng Pb, Cd và Zn trong sữa bằng phương pháp pha loãng đồng ICP-MS” được lựa chọn. Nội dung chính của luận văn gồm những phần sau:  Nghiên cứu và lựa chọn các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý mẫu để định lượng các kim loại chì, cadimi và kẽm trong sữa.  Nghiên cứu và lựa chọn các điều kiện tối ưu trên thiết bị ICP-MS để kết quả phân tích nồng độ chì, cadimi và kẽm đạt độ chính xác cao bằng phương pháp pha loãng đồng vị. 1  Nghiên cứu khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình phân tích các nguyên tố kim loại nói trên.  Đưa ra quy trình phân tích chì, cadimi và kẽm trong sữa bằng phương pháp pha loãng đồng vị trên thiết bị ICP-MS.  Áp dụng phân tích một số đối tượng mẫu thực tế. 2 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Thành phần hóa học chính trong sữa [14, 18]. Trong sữa có một số thành phần như: lipit, gluxit, protein, chất khoáng, vitamin, ngoài ra còn có chất màu và nhiều chất khác. Chất béo: Chất béo là một trong những thành phần quan trọng nhất của sữa. Hàm lượng chất béo của sữa thay đổi trong một phạm vi khá rộng. Có loại sữa ít béo, khoảng 3g/100ml sữa, có loại sữa nhiều chất béo khoảng 5-6g/100ml sữa. Khoảng 98% chất béo trong sữa là một hỗn hợp của triacyl glycerides. Ngoài ra còn có chất béo trung tính, các vitamin tan trong chất béo và các chất màu (ví dụ như carotene cho bơ màu vàng của nó), sterol và sáp. Chất béo cung cấp cho cơ thể một nguồn tập trung năng lượng: quá trình oxy hóa của chất béo trong cơ thể mang lại 9 calo/g. Ngoài ra chất béo làm dung môi hòa tan các vitamin A, D, E, K trong chất béo và cũng cung cấp các axit béo thiết yếu (linoleic, linolenic và arachidonic). Protein: Nhóm hợp chất hữu cơ quan trọng nhất cửa sữa là protein. Hàm lượng protein của các loại sữa không chênh lệch nhiều, chúng thường nằm trong giới hạn 3.04.6%. Các protein của sữa là những protein hoàn thiện. Trong thành phần protein của sữa có đến 19 loại axit amin khác nhau, trong đó có đầy đủ các acid amin không thay thế được như: valin, lơxin, izolơxin, metionin, treonin, phenylalanin, triptophan và lyzin. Trong sữa có 3 loại protein chủ yếu: Casein chiếm khoảng 80%, lactalbumin chiếm 12% và lactoglobulin chiếm 6% trong toàn bộ lượng protein có trong sữa và còn một vài loại protein khác nhưng hàm lượng không đáng kể. Casein là nhóm protein chủ yếu trong protein của sữa. Nó bao gồm nhiều loại casein khác nhau, -casein, -casein, -casein, -casein là thể phức hợp phosphoryl gồm có S1, S2 , S3, S4, S5, S6–casein. -casein là thành phần chủ yếu có trong sữa bò nhưng lại là thứ yếu trong sữa người. -casein là một glycoprotein và nó hiện diện khắp nơi trong thể mixen casein. Chính vì vậy mà mixen ở trạng thái ổn định. -casein và casein không tan trong sữa tươi. Các protein này chứa nhóm photphat (photpho chiếm khoảng 0.8% trong toàn casein) và nhóm photphat này kết hợp với ion Ca 2+. Sự trung hòa một phần lớn các điện tích âm ngăn ngừa -casein và -casein kết khối và kết tủa. 3 Mỗi hạt casein chứa khoảng 70% nước và 30% chất khô. Trong thành phần chất khô casein chiếm khoảng 93% và muối (chủ yếu là canxi photphat) chiếm khoảng 7%. Lactoglobulin còn gọi là globulin của sữa. Hàm lượng lactoglobulin trong sữa khoảng 0,1% theo khối lượng và chiếm tỉ lệ 3% so với lượng protein chung. Globulin sữa có nhiều trong sữa non, thuộc loại protein đơn giản và là protein hoàn thiện. Trong sữa, globulin tồn tại dưới dạng keo và có độ phân tán kém hơn so với albumin sữa khoảng 18.000. Globulin có 3 dạng đồng phân: -glactoglobulin, epglobulin và pseudogglobulin. Chúng khác nhau về khả năng hòa tan nước và tính kháng trùng -lactoglobulin không tan trong nước, hòa tan tốt trong dung dịch muối loãng, epglobulin tan trong nước khi có mặt muối. Pseudoglobulin hòa tan trong nước nguyên chất. Lactoalbumin còn gọi là albumin của sữa. Hàm lượnglactoalbumin trong sữa không nhiều khoảng 0.5-1.0% tùy từng loại sữa. Trong sữa non có nhiều lactoalbumin hơn sữa thường. Khác với casein, lactoalbumin ở trong sữa dưới dạng hòa tan. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao lactoalbumin bị đông tụ. Trong môi trường acid, khi tăng nhiệt độ thì mức độ đông tụ nhanh và mau. Các enzim làm đông tụ casein không có khả năng làm đông tụ lactoalbumin. Sau khi đông tụ, lactoalbumin mất khả năng hòa tan lại trong nước, nó chỉ có thể hòa tan lại trong một vài loại dung môi. Carbohydrate: Carbohydrate có ở trong sữa chủ yếu là lactose. Hàm lượng lactose trong sữa khoảng 4.5-5.1% tùy theo từng loại sữa. Lactose ở trong sữa dưới dạng hòa tan. Lactose khó bị thủy phân hơn các loại đường khác. Khi bị thủy phân sẽ cho một phân tử glucose và một phân tử galactose: Chất khoáng: Nhiều công trình nghiên cứu đã xác nhận lượng chất khoáng của sữa có thể thỏa mãn đầy đủ nhu cầu về chất khoáng cho cơ thể. Hàm lượng chất khoáng trong sữa khoảng 0.6-0.8% tùy từng loại sữa, tồn tại ở dạng hòa tan hoặc dung dịch keo. Các loại muối khoáng ở trong sữa có nhiều loại, phổ biến là muối photphat, clorua, citrat, caseinat… chứa các nguyên tố đa 4 lượng như Ca, K, Na, Mg, P …trong đó nhiều nhất là Ca. Ngoài ra sữa cũng chứa nguyên tố vi lượng như Zn, Si, Al, Fe, Cu, I, Mn, F, Se, Cr, Co … Vitamin: Sữa có chứa rất nhiều loại vitamin cần thiết cho cơ thể, bao gồm nhóm vitamin tan trong chất béo như vitamin A, D, E và K gắn với phần chất béo, nhóm vitamin tan trong nước như vitamin B1, B2, B12, C, PP … 1.2. Tình hình ô nhiễm kim loại Pb, Cd và Zn trong các sản phẩm tiêu dùng (thực phẩm) ở Việt Nam. Các nhà chuyên môn về vệ sinh an toàn thực phẩm cảnh báo rằng nhiều loại rau sinh trưởng trong vùng đất thấp, ao hồ, kênh rạch như rau muống, rau rút, rau cần, ngó sen dễ tích tụ những kim loại nặng như đồng, chì, kẽm, thủy ngân... Các chất này có trong nước thải chưa được xử lý triệt để từ các nhà máy, xí nghiệp, cơ sở sản xuất. Đề tài nghiên cứu hàm lượng kim loại nặng trong bùn đáy, trong nước và trong một số loại rau thủy sinh, của TS Bùi Cách Tuyến, Hiệu trưởng ĐH Nông Lâm TP HCM, thực hiện trong 2 năm (1999-2000) tại TP HCM cho thấy, nhiều mẫu rau được lấy phân tích không an toàn, rất nhiều loại bị ô nhiễm nặng. Hàm lượng kẽm trong mẫu rau muống ở Bình Chánh cao gấp 30 lần mức cho phép, tại các ao rau muống ở Thạnh Xuân cao gấp 2-4 đến 12 lần. Hai mẫu rau rút ở Thạnh Xuân có hàm lượng chì gấp 8,4-15,3 lần mức cho phép, mẫu rau muống ở Thạnh Xuân có hàm lượng chì cao gấp 2,24 lần, mẫu rau muống ở Bình Chánh có hàm lượng chì cao gấp 3,9 lần, mẫu ngó sen ở Tân Bình có hàm lượng chì cao gấp 13,65 lần. Hàm lượng kim loại đồng tại một ruộng rau muống ở Thạnh Xuân cao gấp 2 lần mức cho phép [15]. Viện Dinh dưỡng Quốc gia vừa công bố số liệu điều tra khẩu phần ăn của trẻ từ 2436 tháng tuổi ở các phường thuộc 4 quận nội thành Hà Nội, gồm: Ba Đình, Hoàn Kiếm, Đống Đa và Hai Bà Trưng. Kết quả cho thấy, 12 loại thực phẩm như: gạo, thịt lợn, rau muống… có tỷ lệ nhiễm chì và asen rất cao. Theo kết quả xét nghiệm 12 mẫu thực phẩm cho thấy, nhóm thực phẩm ăn hàng ngày bị nhiễm chì cao nhất là ở gạo, thịt lợn, rau muống, tôm dảo, cam, quýt… [6]. Thực phẩm vượt quy định của Bộ Y tế về cadimin nhiều nhất cũng có ở gạo, thịt lợn, thịt bò. Cadimin cũng xuất hiện tại các thực phẩm khác như trứng gà. Nhóm nghiên cứu cũng cho rằng, lượng cadimin trong gạo chiếm tới 358%, trong sữa bột là 31% và trong cam là 15,6% lượng tối đa cho phép ăn vào hàng ngày của trẻ 5 dưới hai tuổi (cân nặng trung bình 13kg). Còn trong thịt lợn đã lên tới 177,5%, thịt bò là 60,58%, tôm rảo là 35,73% và thịt gà là 6,84% so với lượng tối đa cho phép ăn hàng tuần của trẻ. Theo quy định của bộ Y tế, giới hạn chì tối đa trong các loại quả là < 0,1 mg/kg, ngũ cốc, đậu < 0,2 mg/kg, trong sữa thậm chí còn rất thấp 0,02 mg/kg …[2] Theo báo cáo tại hội nghị thường niên Hội y tế Công cộng Việt Nam lần thứ 10 diễn ra vào 11/2014 tại Hà Nội. Nhóm các tác giả đến từ Trường Đại học Y tế công cộng, Cục An toàn thực phẩm và Viện Chăn nuôi quốc tế về đề tài Đánh giá về sự ô nhiễm chì và Cadimi trong cá và rau muống ở sông Nhuệ tại hội nghị cho thấy 100% mẫu rau muống khai thác từ sông Nhuệ bị ô nhiễm chì (Pb). Tỷ lệ nhiễm chì và Cadimi (Cd) của cá rô phi khai thác tại đây lần lượt là 100% và 96,3%. Tuy nhiên, hàm lượng Pb và Cd trong mẫu rau muống và cá rô phi đều nằm trong mức cho phép của Bộ Y tế. Nhóm tác giả đã nghiên cứu áp dụng khung đánh giá nguy cơ sức khỏe đối với môi trường của hội đồng sức khỏe môi trường Australia năm 2004, với 27 mẫu nước, 27 mẫu rau và 27 mẫu cá được lấy từ sông Nhuệ từ tháng 11/2013 - 6/2014, tại Kim Bảng, Hà Nam. Các tác giả cho biết, qua nghiên cứu, đánh giá mức tiêu thụ rau muống và cá rô phi của người dân sống tại lưu vực sông Nhuệ thì thấy, 98,6% người dân có ăn rau muống với khối lượng ăn trung bình là 108,9 g/người/bữa, với tần suất ăn trung bình là 75 lần/năm. 90,9% người dân được hỏi có ăn cá rô phi, khối lượng ăn trung bình là 132 g/người/ngày, tần suất ăn trung bình 65 lần/năm. Với mức ô nhiễm Pb và Cd (mặc dù vẫn ở trong giới hạn cho phép), thực trạng tiêu thụ rau muống và cá rô phi khai thác tại sông Nhuệ của người dân, các tác giả nhóm nghiên cứu khẳng định, người dân có thể có nguy cơ nhiễm Pb, Cd qua đường ăn uống từ những thực phẩm này [7]. 1.3. Trạng thái tự nhiên và một số tính chất lý, hóa của Pb, Cd và Zn [16, 21, 22, 29] 1.3.1. Trạng thái tự nhiên của các kim loại Pb, Cd và Zn Chì đã được con người biết đến từ thời thượng cổ. Chì là nguyên tố phân bố khá rộng trong tự nhiên ở dạng kết hợp với các kim loại khác đặc biệt là với Ag và Zn. Chì trong vỏ trái đất ứng với thành phần thạch quyển chiếm 1,6×10 -3 % về khối lượng. Galen (PbS) là quặng chì quan trọng nhất trong công nghiệp, ngoài ra còn gặp chì trong quặng xeruzit (PbCO3), anglebit (PbSO4). 6 Cadimi được tìm thấy trong tạp chất của cacbonat kẽm (calamin). Trong thạch quyển của vỏ trái đất cadimi chiếm khoảng 5.10 -5 % về khối lượng. Khoáng vật chủ yếu của cadimi là quặng grinokit (CdS). Trong quặng blen kẽm (ZnS) và calamine (ZnCO 3) có chứa khoảng 3% cadimi. Kẽm trong thạch quyển của vỏ quả đất chiếm khoảng 5.10 -3% về khối lượng, tồn tại ở dạng các khoáng vật chủ yếu là quặng blen kẽm (ZnS), calamin (ZnCO 3), phranclinit hay ferit kẽm (Zn(FeO 2)2), ngoài ra còn có zincit ZnO. Trong tự nhiên các khoáng vật của Zn đều có lẫn khoáng vật của Pb, Ag và Cd. 1.3.2. Một số tính chất lý, hóa của Pb, Cd và Zn 1.3.2.1. Tính chất vật lý của Pb, Cd và Zn Chì là kim loại có mầu xám thẫm và mềm, có khối lượng riêng lớn nhất. Chì có 204 18 đồng vị, trong đó có 4 đồng vị thiên nhiên là Pb (1,48%), (22,6%) và 208Pb (52,3%). Đồng vị phóng xạ bền nhất của chì là 206 Pb (23,6%), 207 Pb 202 Pb có chu kỳ bán hủy là 3.105 năm. Cadimi là kim loại mầu trắng bạc, mềm, có thể cắt bằng dao, dễ dát mỏng và dễ mất ánh kim trong môi trường không khí ẩm do tạo màng oxit. Cadimi có 19 đồng vị, trong đó có 8 đồng vị gặp trong thiên nhiên (12,39%), 111 Cd (12,7%), 112 113 Cd (24,07%), 106 Cd (12,26%), (7,58%). Trong các đồng vị phóng xạ thì đồng vị Cd (0,875%), 110 Cd Cd (28,86%), và 116 Cd Cd (1,215%), 114 108 100 Cd có chu kỳ bán hủy 470 ngày đêm là bền nhất. Kẽm là kim loại mầu trắng bạc, mềm. Ở trong không khí bị phủ lớp màng hidroxit – cacbonat bền. Kẽm có 15 đồng vị, trong đó có 5 đồng vị thiên nhiên là 64Zn (48,89%), 66 Zn (27,81%), 67Zn (4,11%), 68Zn (18,56%) và 70Zn (0,62%). Trong các đồng vị phóng xạ thì động vị 65Zn bền nhất có chu kỳ bán hủy 245 ngày đêm. Một số tính chất vật lý của chì, cadimi và kẽm được tổng kết trong bảng 1.1 Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của các nguyên tố chì, cadimi và kẽm STT Tính chất vật lý 1 STT trong bảng hệ thống tuần hoàn 2 Nguyên tử khối (u) 3 Cấu hình electron 4 Năng lượng ion hóa (eV) 5 Bán kính 0 A Chì 82 207,21 [Kr]6s26p2 I1= 7,42 I2= 15,03 1,75 nguyên tử () 7 Cadimi 48 112,41 [Kr]4d105s2 I1= 8,99 I2= 16,90 1,56 Kẽm 30 65,37 [Ar]3d104s2 I1= 9,39 I2= 17,96 1,39 6 7 8 Nhiệt độ nóng chảy (0C) Nhiệt độ sôi (0C) Khối lượng riêng (g/cm3) 327,4 1740 11,34 321 767 8,63 419,5 906 7,13 1.3.2.2. Một số tính chất hóa học của Pb, Cd và Zn * Tác dụng với oxi Chì bị oxi hóa ở điều kiện thường tạo thành màng oxit bảo vệ cho kim loại. Khi đun nóng trong không khí, chì bị oxi hóa dần đến hết tạo ra PbO 2Pb + O2 2PbO 0 t  Cadimi bền trong điều kiện không khí ẩm và ở nhiệt độ thường nhờ có màng oxit bảo vệ. Nhưng ở nhiệt độ cao cadimi cháy mãnh liệt tạo thành oxit, cho ngọn lửa màu sẫm. Ở nhiệt độ thường và trong không khí ẩm, kẽm bị bao phủ bởi lớp màng hdiddroxxit – cacbonat bền. 2Zn + 2H2O +   O2 2Zn(OH)2 2Zn + H2O + O2   + CO2 Zn2CO3(OH)2 Khi đốt nóng kẽm cháy trong oxi tạo ra oxit: ZnO * Tác dụng với các phi kim khác Chì tác dụng được với các halogen, lưu huỳnh tạo thành muối. Pb + S → PbS Pb + Cl2 → PbCl2 Cadimi, kẽm tác dụng với halogen, lưu huỳnh, photpho, selen ... tạo muối tương ứng. * Tác dụng với nước Chì, cadimi và kẽm không tác dụng được với nước ở nhiệt độ thường. Nhưng ở nhiệt độ cao cadimi và kẽm khử hơi nước tạo thành oxit. Còn chì phản ứng chậm với nước khi có mặt của oxi tạo ra hidroxit: 2Pb + O2 + 2H2O → 2Pb(OH)2 *Tác dụng với axit Với axit không có tính oxi hóa (như HCl, H2SO4 loãng,…) chì, cadimi và kẽm đều tác dụng, giải phóng khí hiđro. Cd + 2HCl → CdCl2 + 8 H2↑ Tuy nhiên, khi chì tan trong HCl lại tạo ra lớp PbCl 2 khó tan làm cho chì không tan thêm được nữa; nhưng với HCl đặc chì lại dễ tan hơn do tạo thành hợp chất dễ tan dạng H2[PbCl4] PbCl2 + 2HCl → H2[PbCl4] Với các axit có tính oxi hóa (như HNO 3, H2SO4 đặc) thì chì, cadimi và kẽm đều phản ứng, sẩn phẩm không có hiđro: Cd + 2H2SO4 đ → CdSO4 + SO2 ↑ + 2H2O Chì chỉ tác dụng trên bề mặt với dung dịch H 2SO4 có nồng độ thấp hơn 80% tạo ra lớp muối khó tan, người ta đã lợi dụng tính chất này để chế tạo ắc quy chì. Còn với H2SO4 đặc chì rất dễ tan do tạo hợp chất dễ tan Pb(HSO 4)2 không bảo vệ được chì khỏi bị axit tiếp tục tác dụng: Pb + H2SO4 → PbSO4 + SO2↑+ 2H2O PbSO4 + H2SO4 → Pb(HSO4)2 Nhưng với axit HNO3, chì tác dụng ở bất kỳ nồng độ nào đều tạo ra Pb(NO 3)2. Tuy nhiên do Pb(NO3)2 khó tan trong HNO3 đặc, dễ tan trong nước nên chì dễ tan trong HNO 3 loãng, khó tan trong HNO3 đặc 3Pb + 8HNO3 → 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O Chì cũng tan được trong axit axetic và một số axit hữu cơ khác khi có mặt oxi 2Pb + 4CH3COOH + O2 → 2Pb(CH3COO)2 + 2H2O Đặc biệt, chì và kẽm còn có thể tan được trong dung dịch kiềm giải phóng hiđro: Pb + 2KOH + 2H2O → K2[Pb(OH)4] + H2 ↑ Riêng kẽm còn có thể tan được trong dung dịch NH3: Zn + 4NH3 + 2H2O → [Zn(NH3)4](OH)2 + H2 ↑ Trong môi trường kiềm cao, Zn khử được ion NO3- thành khí NH3: 4Zn + NO3- + 7OH- + 6H2O → 4[Zn(OH)4]2- + NH3↑ 1.4. Vai trò của các nguyên tố Pb, Cd và Zn đối với con người 1.4.1. Độc tính của Pb [4, 8, 9, 17, 19] Chì và các hợp chất của chì đều được xếp vào nhóm độc tố đối với cơ thể người. Trong môi trường nó bị thải ra từ hoạt động của các ngành công nghiệp, nông nghiệp … gây ô nhiễm. Nó có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua chu trình chuyển hóa thức ăn hay quá trình trao đổi chất như: nước uống, không khí, thức ăn (động vật, thực vật) nhiễm 9 chì. Khi hàm lượng chì tích lũy lại vượt quá ngưỡng cho phép thì chì sẽ ức chế một số enzym quan trọng trong quá trình tổng hợp máu dẫn đến không tạo được hồng cầu. Bởi vì chì đã ức chế một số sản phẩm trung gian trong quá trình tổng hợp máu dẫn đến không tạo được hồng cầu như delta-aminolevulinic axit hay còn gọi là ALA-dehidraza enzym I (HOOC-(CH)-CO-CH(NH2)-COOH), là một chất trung gian quan trọng để tổng hợp porphobilinogen: HOOC - CH2 - CH2 -C - C - CH2 - CH2 – COOH H2N - CH2 - C C–H N Chì gây ức chế ALA-dehidraza enzym, do đó giai đoạn tiếp theo hình thành porphobilinogen không xảy ra được. Tác dụng chung là chì phá hủy quá trình tổng hợp hemoglobin và các sắc tố cần thiết cho máu như cytochoromes. Hàm lượng chì trong máu khoảng 0,3 ppm thì nó ngăn cản quá trình sử dụng oxy để oxy hóa glucoza tạo ra năng lượng cho quá trình sống, do đó làm cơ thể mệt mỏi. Ở nồng độ cao hơn (>0,8 ppm) có thể gây nên thiếu máu do thiếu hemoglobin. Hàm lượng chì trong máu khoảng 0,5 đến 0,8 ppm gây ra rối loạn chức năng của thận và phá hủy não. Đối với sức khỏe con người, nhiễm độc chì gây ra bệnh về tai, mũi, họng, phế quản, máu, gan, xương và các bệnh ngoài ra. Khi ngộ độc chì, người lớn hay than phiền, đau tê ở đầu ngón chân, tay, bắp thịt mỏi yếu, nhức đầu, đau bụng, tăng huyết áp, thiếu máu, giảm trí nhớ, thay đổi tâm trạng, sảy thai, kém sản xuất tinh trùng... Lâu ngày, bệnh trở thành mạn tính, đưa tới suy thận, tổn thương thần kinh ngoại vi, giảm chức năng não bộ (do chì có khả năng tạo thành các hợp chất alkyl ái lipit) Trẻ em thường bị tác hại của chì trầm trọng hơn người trưởng thành, đặc biệt là trẻ dưới 6 tuổi vì hệ thần kinh còn non yếu và khả năng thải độc chất của cơ thể chưa hoàn chỉnh. Trong khi trẻ em có mức hấp thụ chì gấp 4-5 lần người lớn và thời gian bán phân hủy chì ở trẻ em cũng lâu hơn nhiều so với người lớn. Một số trẻ em có thể bị nhiễm ngay từ khi còn ở trong bụng mẹ, do người mẹ bị nhiễm chì, qua nhau thai từ tuần thứ 20 của thai kỳ và tiếp diễn suốt thời kỳ mang thai, hoặc bú sữa mẹ có hàm lượng chì cao. Tới khi lớn, các em có thể ăn thực phẩm có chứa chì, nuốt chì lẫn trong đất, bụi khi bò chơi trên mặt đất hoặc ăn các mảnh vụn sơn tường nhà cũ. Do đó trẻ từ 6 tuổi trở xuống và phụ nữ có thai là những đối tượng mẫn cảm với những ảnh hưởng 10 nguy hại đến sức khỏe do chì gây ra. Gần đây, các phương tiện thông tin đại chúng trong nước và quốc tế đều đưa tin hai vụ nhiễm độc chì ở trẻ em Trung Quốc trong vòng một tháng qua, với số nạn nhân lên đến 1.300 bé tại tỉnh Hồ Nam và trên 600 bé ở tỉnh Thiểm Tây. Theo trung tâm kiểm soát bệnh tật Hoa Kỳ (CDC), hơn 250.000 trẻ em 1-5 tuổi ở quốc gia này có lượng chì trong máu lớn hơn 100 g/lít, mức được cho là nhiễm độc chì. Ở trẻ em, nhiễm độc chì cấp tính khiến các em trở nên cáu kỉnh, kém tập trung, ói mửa, dáng đi không vững, lên cơn kinh phong. Trường hợp mãn tính, các em có dấu hiệu chậm trí, hay gây gổ, lên kinh thường xuyên, đau bụng, thiếu máu, suy nhược cơ bắp, suy thận, đôi khi có thể đưa tới tử vong. Ngoài ra, chì có thể thay thế một phần canxi trong Ca 3(PO4)2 của xương, tác dụng gây ra vành xám ở lợi răng và hệ thần kinh, các bệnh về đường ruột và bệnh thiếu máu. Chì và các hợp chất của chì có thể vào cơ thể người thông qua việc ăn uống, hô hấp và tích lũy lại, gây ra các bệnh nguy hiểm đặc biệt là ung thư và biến đổi gen rất nguy hiểm. WHO đã thiết lập giá trị tạm thời cho hàm lượng chì đưa vào cơ thể hàng tuần có thể chịu đựng được đối với trẻ sơ sinh và thiếu nhi là 25g/kg thể trọng. 1.4.2. Độc tính của Cd [17, 19, 29] Kim loại nặng cadimi, cũng như các kim loại khác, xâm nhập vào các hệ sinh thái đất, nước, không khí từ nhiều nguồn khác nhau: khói bụi, nước thải của các xí nghiệp sản xuất chì, thiếc, sắt, thép…nước thải trong ngành đúc điện, trong phân lân bón cho cây trồng, trong bùn thải các trạm làm sạch nước, trong sự bào mòn lốp xe ô tô, trong các nhiên liệu diezel làm ô nhiễm lương thực, trong phân lân bón cho cây trồng, trong bùn thải các trạm làm sạch nước, trong sự bào mòn lốp xe ô tô, trong các nhiên liệu diesel làm ô nhiêm lương thực, thực phẩm và nước uống. Cadimi có thể xâm nhập vào cơ thể con người bằng nhiều con đường khác nhau như tiếp xúc với bụi cadimi, ăn uống các nguồn có sự ô nhiễm cadimi. Sự kiện bị ngộ độc cadimi trên thế giới là sự kiện xảy ra ở Nhật Bản với bệnh itai-itai là mô tê bê nê h có liên quan đến ô nhiễm nguồn nước bởi cadimi. Người khi hít phải bụi chứa cadimi có thể bị các bệnh về hô hấp và thận. Nếu ăn phải một lượng đáng kể cadimi sẽ bị ngộ độc, có thể dẫn đến tử vong. Đã có bằng chứng chứng minh rằng cadimi tích tụ trong cơ thể gây nên chứng bệnh giòn xương. Ở nồng độ cao, cadimi gây đau thận, thiếu máu và phá hủy tủy 11 xương. Người bị nhiễm độc cadimi, tùy theo mức độ sẽ bị ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, đặc biệt là bị tổn thương thận, ảnh hưởng đến nội tiết, máu và tim mạch. Mặt khác, cadimi còn là chất gây ung thư qua đường hô hấp. Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa cadimi với chứng bệnh loãng xương, nứt xương. Sự hiện diện của cadimi trong cơ thể khiến cho việc cố định canxi trở nên khó khăn dẫn đến những tổn thương về xương gây đau đớn ở vùng xương chậu và hai chân. Ngoài ra, tỷ lệ ung thư tiền liệt tuyến vú và ung thư phổi cũng khá lớn ở nhóm người thường xuyên tiếp xúc với chất độc này. Phần lớn Cadimi thâm nhập vào cơ thể được đào thải ra ngoài, còn giữ lại ở thận khoảng 1% do Cadimi liên kết với protein tạo thành metallotion có ở thận. Phần còn lại được giữ trong cơ thể và dần dần được tích tụ theo thời gian. Khi lượng Cd 2+ được tích tụ đủ lớn, nó có thể thế chỗ Zn 2+ trong các enzyme quan trọng và gây rối loạn tiêu hóa và các chứng bệnh rối loạn chức năng của thận, gây thiếu máu, tăng huyết áp, phá hủy tủy xương gây ung thư … Cadimi cũng có thể can thiệp vào quá trình sinh học có chứa magie và canxi theo cách thức tương tự như đối với kẽm. Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) đã xếp cadimi và hợp chất của nó vào nhóm 2A theo thứ tự sắp xếp về mức độ độc hại của các nguyên tố trong ngành y tế. Lượng cadimi đưa vào cơ thể hàng tuần cơ thể có thể chịu đựng được là 7g/kg thể trọng. 1.4.3. Chức năng sinh học của Zn [38, 39, 40, 42] Kẽm đóng vai trò sinh học không thể thiếu đối với sức khỏe con người cho dù kẽm chỉ chiếm khoảng vài phần triệu trọng lượng khô của cơ thể. Người ta cũng đã phát hiện được nhiều căn bệnh liên quan tới sự thiếu thừa nguyên tố này. Theo các nhà khoa học, lượng kẽm cần thiết cho người trưởng thành hàng ngày là 10-15mg. Nhưng nhu cầu về kẽm còn tùy thuộc vào tuổi và trạng thái sinh lý của cơ thể. Ví dụ trẻ em dưới 1 tuổi cần 8mg, trẻ từ 1-10 tuổi ần 20-25mg kẽm 1 ngày. Kẽm được đưa vào cơ thể chủ yếu qua đường tiêu hóa, được hấp thụ phầnlớn ở ruột non. Vì vậy, những người có bệnh ở đường tiêu hóa thường bị thiếu kẽm. Nó được thải ra ngoài với lượng lớn qua dịch ruột, dịch tụy (2-5mg), còn lại qua nước tiểu (0,5-0,8 mg) và mồ hôi (0,5 mg). Khi vào cơ thể, phần lớn kẽm tập trung trong tế bào, chỉ một lượng nhỏ trong huyết tương, dạng gắn kết với albumin và 2- macropolysaccarite. Kẽm 12 tham gia vào thành phần cấu trúc tế bào và đặc biệt là tác động đến hầu hết các quá trình sinh học trong cơ thể. Kẽm có trong thành phần của hơn 80 loại enzyme khác nhau, đặc biệt có trong hệ thống enzym vận chuyển, thủy phân, đồng hành xúc tác phản ứng gắn kết với các chuỗi trong phân tử AND, xúc tác phản ứng oxy hóa cung cấp năng lượng, ngoài ra kẽm còn hoạt hóa nhiều enzym khác nhau như amylase, pencreatinase… Đặc biệt, kẽm có vai trò sinh học rất quan trọng là tác động chọn lọc lên quá trình tổng hợp, phân giải axit nucleic và protein- những thành phần quan trọng nhất của sự sống. Vì vậy các cơ quan như hệ thần kinh trung ương, da và niêm mạc, hệ tiêu hóa, hệ tuần hoàn rất nhạy cảm với sự thiếu hụt kẽm. Sự thiếu hụt kẽm để lại những hiệu ứng rõ nét trong việc tăng trọng của động vật. Kẽm tìm thấy trong insualin, các protein chứa kẽm và các enzyme như superoxit dismutase. Thị giác¸vị giác, khứu giác và trí nhớ có liên quan đến kẽm và sự thiếu hụt kẽm có thể gây ra hoạt động của các cơ quan này. Lượng kẽm trong cơ thể có liên quan chặt chẽ với môi trường sống và chế độ dinh dưỡng. Thiếu kẽm sẽ ảnh hưởng tới sự phát triển bình thường của cơ thể và hơn nữa có thể là nguyên nhân gây nên nhiều bệnh nguy hiểm, ảnh hưởng lâu dài tới cuộc sống va sinh mạng của con người. Trẻ em nếu cơ thể thiếu kẽm sẽ biếng ăn, suy dinh dưỡng và kém phát triển về chiều cao, phát dục trễ, dễ nhiễm trùng và tiêu chảy. Ngược lại việc tiêu thụ quá mức kẽm có thể gây ra một số chứng như hôn mê, bất động cơ và thiếu đồng. 1.4.4. Giới hạn tối đa cho phép các kim loại trong thực phẩm Được sự quan tâm của các cấp có thẩm quyền, một loạt các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật về môi trường và an toàn thực phẩm đã được ban hành. Trong Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia đối với giới hạn ô nhiễm kim loại nặng (QCVN 8-2:2011 BYT), hàm lượng cho phép đối với các nguyên tố trong thực phẩm là rất thấp như trong bảng 1.2 [2]. Bảng 1.2. Mức giới hạn tối đa cho phép các kim loại trong thực phẩm TT Tên sản phẩm Mức giới hạn tối đa cho phép (mg/kg hoặc mg/L) 13 Arsen (As) 1 2 3 4 Sữa và các sản phẩm sữa Thịt và các sản phẩm thịt Thịt trâu, bò, lợn, cừu, gia cầm Thịt ngựa Cadimi (Cd) Chì (Pb) Thủy ngân (Hg) Methyl thủy ngân Thiếc (Sn) (MeHg) 0,5 1,0 0,02 0,05 - - 1,0 - - 0,05 - - - 0,05 0,1 - - - - 0,2 - - - - 5 Gan trâu, bò, lợn, cừu, gia cầm, ngựa - 0,5 - - - - 6 Thận trâu, bò, lợn, cừu, gia cầm, ngựa - 1,0 - - - - 7 Phụ phẩm của trâu, bò, lợn, gia cầm - - 0,5 - - - Các loại thịt nấu chin đóng hộp (Thịt băm, thịt đùi lợn thịt vai lợn), Thịt bò muối, Thịt chế biến đóng hộp Đối với sản phẩm trong hộp tráng thiếc - - - - - 200 - - - - - 50 - 0,05 0,3 - - - - 0,05 0,1 - - - - 0,2 0,3 - - - - 0,1 0,2 - - - 0,1 0,1 - - - 0,1 - - - - 8 9 10 11 12 Đối với sản phẩm trog các loại hộp không tráng thiếc Rau họ thập tự (cải) Rau ăn quả Rau ăn lá Rau họ đậu 13 Rau ăn củ và ăn rễ 14 Rau ăn thân - 14