Chia sẻ bài viết
Một số kỹ thuật đã được phát triển để phân tích kim loại nặng trong quá khứ (phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), plasma ghép cảm ứng (ICP) hoặc phép đo phổ huỳnh quang). Tuy nhiên, những kỹ thuật này đòi hỏi thiết bị đắt tiền cùng với chi phí bảo trì cao và nhân viên được đào tạo. Vì vậy, phân tích Vôn-Ampe hòa tan (Stripping voltammetry) được ra đời nhằm đáp ứng phù hợp cho những thách thức này, cung cấp một giải pháp thay thế đơn giản, nhanh chóng và hiệu quả về chi phí và phù hợp với những nhân viên chưa qua đào tạo.
Ngoài ra, giới hạn phát hiện của kỹ thuật trong phạm vi ng/L và khả năng xác định kim loại nặng hàm lượng vết tại hiện trường làm cho nó trở nên thú vị và có giá trị. Trong bài viết này, bạn sẽ có cái nhìn tổng quan về nguyên tắc phép đo Vôn-Ampe hòa tan, cảm biến mới trong Vôn-Ampe và ứng dụng của kỹ thuật này trong phân tích kim loại nặng hàm lượng vết.
1. Tác hại của kim loại nặng
Việc định lượng các ion kim loại nặng đóng một vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, bao gồm giám sát môi trường, quản lý chất thải, nghiên cứu, hoặc thậm chí trong các thử nghiệm lâm sàng. Kim loại nặng có trong tự nhiên, nhưng sự gia tăng của quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa trong hai thế kỷ qua là nguyên nhân làm tăng mức độ của chúng trong môi trường. Những thành phần nguy hiểm này được giải phóng và tích tụ trong đất, và trong nước ngầm hoặc nước mặt. Chúng xâm nhập vào chuỗi thức ăn trực tiếp từ nước uống hoặc thông qua tích lũy sinh học ở thực vật và động vật. Chính vì lý do này mà phụ nữ mang thai không nên ăn hải sản, trên cơ sở tích tụ thủy ngân (Hg) qua chuỗi thức ăn.
Mức độ độc hại phụ thuộc vào loại kim loại, vai trò sinh học và quan trọng nhất là nồng độ của nó. Sự gia tăng nồng độ chì, sắt, cadmium, đồng, asen, crom hoặc niken trong nước uống thường là nguyên nhân gây ngộ độc cho con người. Để làm nổi bật độc tính của một số kim loại nặng trong nước uống và để bảo vệ sức khỏe con người, các giá trị hướng dẫn hoặc giá trị giới hạn về nồng độ kim loại nặng trong nước uống đã được các tổ chức quốc tế như Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) hoặc các cơ quan chức năng như Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) hoặc Ủy ban Châu Âu ban hành.
Trong bước tước tiếp theo (Hình 2), chất phân tích được giải phóng. Điều này có thể đạt được bằng cách oxy hóa hoặc khử tùy thuộc vào phương pháp được sử dụng để xác định. Bước này tạo ra tín hiệu phân tích, tín hiệu này phải tỷ lệ với lượng chất phân tích tích góp.
Bên cạnh phép đo Vôn-Ampe hòa tan a-nốt, phép đo Vôn-Ampe hòa tan ca-tốt hoặc phép đo Vôn-Ampe hòa tan hấp phụ cũng có thể sử dụng và hoạt động theo cách tương tự. Tất cả các phương pháp này đều có điểm chung: mọi phép xác định Vôn-Ampe phụ thuộc vào cảm biến được sử dụng để đo. Do đó, trong loạt bài đăng này, chúng tôi muốn giới thiệu các cảm biến mạnh mẽ của mình và chứng minh hiệu suất vượt trội với một vài ứng dụng điển hình.
3. Cảm biến mới trong VA: điện cực giọt Bismuth (Bi)
3.1. Nhu cầu cho các cảm biến mới
Nhu cầu xác định ion kim loại nặng tại hiện trường, chi phí cảm biến và các vấn đề môi trường là những nguyên nhân chính thúc đẩy nghiên cứu các cảm biến mới trong phép đo Vôn-Ampe. Các vật liệu không độc hại và rẻ tiền được ưu tiên sử dụng cho các cảm biến mới. Tuy nhiên, các thuộc tính của những vật liệu này có thể dẫn đến một số hạn chế. Đầu tiên là số lượng hạn chế các nguyên tố có thể được phát hiện trên một vật liệu điện cực cụ thể (ví dụ: vàng, cacbon hoặc bismuth). Ngoài ra, rất khó để xác định một số nguyên tố đồng thời trên cùng một cảm biến không chứa thủy ngân. Việc lựa chọn vật liệu điện cực phù hợp nhất kết hợp với thiết kế cảm biến tối ưu giúp khắc phục những vấn đề này.
3.2. Bismuth làm vật liệu điện cực thay thế
Trước đây, đã có nhiều nỗ lực tìm kiếm vật liệu điện cực ít độc hơn thủy ngân để xác định các ion kim loại nặng, nhưng chưa có nỗ lực nào đạt được hiệu suất phân tích vượt trội. Hai mươi năm trước (2000), một nhà nghiên cứu người Mỹ tên là Joseph Wang đã báo cáo về điện cực màng bismuth lần đầu tiên (Joseph Wang, 2000).
Sau báo cáo mang tính cách mạng ban đầu này, các điện cực dựa trên bismuth được điều chế dưới dạng màng in-situ và ex-situ trên các điện cực trạng thái rắn như carbon, ngày càng trở nên phổ biến. Khoảng điện hóa rộng và độc tính thấp của bismuth là những yếu tố chính. Ngoài ra, bismuth có thể tạo hợp kim với một số lượng lớn các kim loại nặng và có quá thế hydro cao, tương tự như thủy ngân. Những đặc tính này đặc biệt thú vị đối với phép đo Vôn-Ampe hòa tan. Quá trình sinh ra hydro bị triệt tiêu rất hiệu quả với kết quả là các phép đo không nhiễu ở điện thế âm có thể được thực hiện. Điện cực bismuth dựa trên màng bismuth là một lựa chọn tốt. Tuy nhiên, việc phủ màng là một bước bổ sung tốn nhiều thời gian.
3.3. Cảm biến mới trong VA: điện cực giọt Bismuth (Bi)
Với điện cực giọt Bi, một điện cực trạng thái rắn mới hiện có sẵn để xác định các ion kim loại nặng trong nước uống. Một giọt bismuth có đường kính khoảng 2 mm dùng làm điện cực làm việc trong phép đo Vôn-Ampe.
Điện cực này hoạt động mà không cần đánh bóng hoặc phủ màng — chỉ cần hoạt hóa điện hóa. Điều này rút ngắn đáng kể toàn bộ thời gian phân tích. Sau khi được hoạt hóa, có thể thực hiện hàng loạt phép xác định kim loại nặng với độ lặp lại cao trong phạm vi μg/L và thậm chí ng/L.
Điện cực giọt Bi cho phép theo dõi không có thủy ngân các giá trị giới hạn của kim loại nặng cadmium, chì, niken, coban và sắt trong nước uống. Vì điện cực không yêu cầu xử lý cơ học nên nó đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng trực tuyến. Một ưu điểm khác của điện cực giọt Bi là cadmium và chì cũng như niken và coban có thể được xác định đồng thời.
Cảm biến này tiết kiệm chi phí, ổn định, cực kỳ nhạy và có thể mang lại kết quả có độ lặp lại nhiều hơn so với các điện cực dựa trên bismuth khác đã được kiểm tra trước đây. Để chứng minh các khả năng và tính linh hoạt của điện cực giọt Bi, các ví dụ về phép đo Vôn-Ampe hòa tan a-nốt, Vôn-Ampe hòa tan hấp phụ và xác định Vôn-Ampe trực tiếp sẽ được trình bày và thảo luận.
Bi drop electrode - A novel nontoxic alternative for metal analysis down to the ppt range
4.1. Vôn-Ampe hòa tan a-nốt xác định cadmium và chì
Để giảm tác dụng độc hại của cadmium đối với thận, khung xương và hệ hô hấp, cũng như tác dụng gây độc thần kinh của chì, các giá trị hướng dẫn tạm thời trong «Hướng dẫn về chất lượng nước uống» của Tổ chức Y tế Thế giới được đặt ở nồng độ tối đa là 3 µg/L đối với cadmium và 10 µg/L đối với chì.
Một cảm biến hoàn toàn không chứa thủy ngân, điện cực giọt Bi cho phép xác định đồng thời cadmium và chì trong nước uống mà không cần thêm bất kỳ bước mạ phủ màng nào. Với thời gian lắng đọng 60 s, có thể đạt được giới hạn phát hiện (LOD) 0,1 µg/L đối với cadmium và 0,5 µg/L đối với chì. Độ nhạy vượt trội này là quá đủ để theo dõi các giá trị hướng dẫn tạm thời của WHO.
Không chỉ có độ nhạy ấn tượng mà khả năng lặp lại và độ chính xác cũng rất cao. Độ lệch chuẩn tương đối cho 10 phép đo trong dung dịch chuẩn kiểm tra (β (Cd) = 1 µg/L và β (Pb) = 5 µg/L) là 5% và 3%, và tỷ lệ thu hồi là 90% đối với cadmium và 100% đối với chì.
Ghi chú ứng dụng: Cd và Pb trong nước uống dùng điện cực giọt Bi.
4.2. Xác định trực tiếp sắt
Sự hiện diện của sắt trong nước uống có thể dẫn đến mùi vị kim loại khó chịu, chát, hoặc các vết màu nâu đỏ. Ngoài ra, «vi khuẩn sắt» có thể phát triển trong nước có chứa sắt với nồng độ thấp cỡ 100 µg/L, tạo ra chất nhờn màu nâu đỏ có thể làm tắc nghẽn đường ống dẫn nước và gây ra mùi khó chịu. Trong một thời gian dài, sự hình thành các cặn sắt không hòa tan là vấn đề trong nhiều ứng dụng công nghiệp và nông nghiệp, chẳng hạn như cấp nước, làm mát hệ thống hoặc tưới tiêu đồng ruộng. Để tránh những vấn đề này, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) xác định Mức độ ô nhiễm tối đa thứ cấp (SMCL) cho các nhà máy xử lý và chế biến nước là 300 µg/L sắt trong nước uống.
Việc xác định Vôn-Ampe của phức sắt trietanolamin trên điện cực giọt Bi không độc hại, không yêu cầu làm giàu. Hệ thống sử dụng tăng cường tín hiệu xúc tác, cho phép phát hiện ở mức rất thấp với giới hạn phát hiện là 5 µg/L và các phép đo trong phạm vi nồng độ rộng lên đến 500 µg/L.
Phương pháp này phù hợp nhất cho các hệ thống tự động hoặc thiết bị phân tích online, cho phép xác định sắt hoàn toàn tự động trong một loạt mẫu lớn và cung cấp kết quả ổn định. Độ lệch chuẩn tương đối cho 10 phép đo trong dung dịch chuẩn kiểm tra (β (Fe) = 50 µg/L) là 3% và tỷ lệ thu hồi là 111%.
Ghi chú ứng dụng: Fe trong nước uống sử dụng điện cực giọt Bi.
4.3. Xác định Vôn-Ampe hòa tan hấp phụ của niken và coban
Các nguồn ô nhiễm niken chính là từ quá trình mạ điện, hoạt động luyện kim, hoặc rửa trôi từ đường ống và phụ kiện. Chất xúc tác được sử dụng trong ngành công nghiệp dầu khí và hóa chất là những lĩnh vực ứng dụng chính của coban. Trong cả hai trường hợp, kim loại được thải trực tiếp hoặc qua đường nước thải - sông vào hệ thống nước uống. Do đó, ở các nước châu Âu, luật quy định 20 µg/L là giá trị giới hạn cho nồng độ niken trong nước uống.
Việc xác định đồng thời và đơn giản niken và coban dựa trên phép đo Vôn-Ampe hòa tan hấp phụ (AdSV). Các đặc tính độc đáo của điện cực giọt Bi không độc hại kết hợp với AdSV tạo ra hiệu suất tuyệt vời về độ nhạy. Giới hạn phát hiện trong thời gian tích góp 30 s là khoảng 0.2 µg/L đối với niken và 0.1 µg/L đối với coban, và có thể được hạ thấp hơn nữa bằng cách tăng thời gian tích góp.
Phương pháp này phù hợp nhất cho các hệ thống tự động hoặc thiết bị phân tích online, cho phép xác định hoàn toàn tự động các kim loại này trong loạt mẫu lớn và cung cấp kết quả ổn định và chính xác. Độ lệch chuẩn tương đối cho 10 phép đo tiếp theo trong dung dịch chuẩn kiểm tra (β (Ni) = 1 µg/L β (Co) = 1 µg/L) là 4% và 5% và tỷ lệ thu hồi là 106% đối với niken và 88 % đối với coban.
Hãy tải về Ghi chú ứng dụng phía dưới để tìm hiểu thêm!
Tính năng chính
của điện cực giọt Bi
- Không độc hại, không chứa thủy ngân, là giải pháp thay thế hoàn hảo để xác định vết kim loại
- Xác định đồng thời Ni và Co, cũng như Cd và Pb
- Giới hạn phát hiện trong phạm vi μg/L thấp và thậm chí ng/L
- Thích hợp cho các hệ thống tự động và trực tuyến
