ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO NGUYỄN THỊ MỸ THO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ pH VÀ MỘT SỐ ION KIM LOẠI ĐẾN KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN ARSENIC CỦA CẢM BIẾN SỢI NANO VÀNG Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TỐNG DUY HIỂN Thành phố Hồ Chí Minh - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO NGUYỄN THỊ MỸ THO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ pH VÀ MỘT SỐ ION KIM LOẠI ĐẾN KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN ARSENIC CỦA CẢM BIẾN SỢI NANO VÀNG Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TỐNG DUY HIỂN Thành phố Hồ Chí Minh - 2014 MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục chữ viết tắt Danh mục bàng biểu Danh mục đồ thị Danh mục hình ảnh CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 Khái quát nguyên tố Asen 1.1.1 Tính chất vật lý Asen 1.1.2 Tính chất hóa học Asen 1.1.3 Dạng tồn Asen nước 1.1.4 Vấn đề ô nhiễm Asen toàn giới 1.1.5 Tình hình ô nhiễm Asen Việt Nam 1.2 Ảnh hưởng Asen đến sức khỏe người 1.2.1 Độc tính asen 1.2.2 Phương pháp loại bỏ As khỏi nguồn nước iv v vi vi vii viii 1 8 1.2.3 Tiêu chuẩn cho phép hàm lượng Asen 10 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH ASEN 11 2.1 Phân tích định tính 11 2.1.1 Tìm As (III) 11 2.1.2 Phát As(V) 11 2.1.3 Các phản ứng để phát As(III) As(V) 12 2.2 Phân tích định lượng 12 2.2.1 Phương pháp xác định nhanh trường 12 2.2.2 Phương pháp Marsh 12 2.2.3 Phổ hấp thu nguyên tử 13 2.2.4 Khối phổ ICP-MS 13 2.2.5 Phương pháp phổ phát xạ 13 2.2.6 Phương pháp trắc quang 14 2.2.7 Các phương pháp khác 14 2.3 Phương pháp cực phổ 14 2.3.1 Phương pháp cực phổ xung thường 14 2.3.2 Phương pháp cực phổ xung vi phân 15 2.3.3 Phương pháp cực phổ sóng vuông 15 2.3.4 Ứng dụng phương pháp cực phổ 15 CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ SỢI NANO VÀNG VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH As(III) 16 3.1 Những ưu việt công nghệ cảm biến nano cảm biến sợi nano 16 3.1.1 Những ưu việt công nghệ cảm biến nano 16 3.1.2 Cảm biến sợi nano 19 3.1.3 Ứng dụng công nghệ nano cho môi trường 20 3.2 Cảm biến sợi nano vàng 21 3.2.1 Giới thiệu quy trình chế tạo cảm biến sợi nano vàng 21 3.2.2 Các yêu cầu cảm biến sợi nano vàng dùng phát As 24 3.3 Cơ sở phương pháp Von-ampe hòa tan việc khảo sát As 25 3.3.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp Von – ampe 25 3.3.2 Các điện cực sử dụng 25 3.3.3 Quá trình điện phân tích góp 26 3.3.4 Quá trình hòa tan ghi dòng hòa tan 27 3.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới phương pháp 27 CHƯƠNG : PHÂN TÍCH VÀ ĐỊNH LƯỢNG As(III) VÀ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN VỀ NỒNG ĐỘ As(III) SỬ DỤNG SỢI NANO VÀNG 28 4.1 Phân tích asen Ở việtt nam mục tiêu đề tài 28 4.1.1 Phân tích asen Ở việt nam 28 4.1.2 Mục tiêu luận văn 28 4.2 Quy trình thực nghiệm xác định As(III) 28 4.2.1 Điện cực sợi nano vàng 28 4.2.2 Hóa chất thiết bị 29 4.3 Khảo sát tích góp As(III) 32 4.4 Xây dựng đường chuẩn nồng độ As(III) 38 4.5 Kết thảo luận 39 CHƯƠNG : KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA pH VÀ MỘT SỐ ION (Cu2+,Pb2+,Zn2+,Fe2+,As(V)…)TRONG QUÁ TRÌNH PHÂN TÍCH As(III) 5.1 Khảo sát vùng pH làm việc 40 5.2 Kết luận ảnh hưởng độ pH đến kết phân tích As(III) 41 2+ 2+ 2+ 2+ 5.3 Khảo sát ảnh hương số ion (Cu ,Pb ,Zn ,Fe ,As(v)…) trình khảo sát As(III) 42 2+ 5.3.1 Ảnh hưởng ion Cu 42 5.3.2 Ảnh hưởng ion Fe2+ 43 2+ 5.3.3 Ảnh hưởng ion Pb 44 5.3.4 Ảnh hưởng ion Zn2+ 45 5.3.5 Ảnh hưởng ion NO3- SO4246 5.4 Kết luận ảnh hưởng ion đến kết phân tích As (III) 48 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49 Kết luận 49 Hướng phát triển 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 53 Tôi khắc ghi :  Công ơn sinh thành dưỡng dục Bố Mẹ, quan tâm động viên gia đình  Sự tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức Thầy TS.Tống Duy Hiển Tôi xin chân thành cảm ơn:  Thầy GS Đặng Mậu Chiến- Giám đốc anh chị cán phòng thí nghiệm công nghệ Nano tạo điều kiện cho thực hành phòng thí nghiệm  Các bạn học viên khoa Hóa –Lý ứng dụng trường ĐH Khoa học tự nhiên giúp đỡ tận tình để hoàn thành đề tài  Quý Thầy Cô giáo giảng dạy suốt thời gian theo học chương trình  Các bạn học viên cao học K5,K6,K7 khoa vật liệu linh kiện Nano động viên giúp đỡ hết lòng cho trình học tập  Ban giám hiệu toàn thể giáo viên đồng nghiệp trường THPT Lê Minh Xuân tạo điều kiện để hoàn thành khóa học  Các bạn bè người thân động viên lúc  Luận văn thực phần công việc đề tài độc lập: Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị phân tích trường phát As môi trường nước sử dụng điện cực dây nano vàng, mã số ĐTĐT.2011 – G/76 Tôi xin cảm ơn tài trợ kinh phí Bộ KHCN cho đề tài 5 Danh mục chữ viết tắt AAS : Atomic Absorption Spectrometry As : Asren DPP : Differential Pulse Polarography Dd : dung dịch GC – MS : Gas Chromatography – Mass Spectrometry KBÔ : Khoảng bất ổn HG – AAS : Hydride Generation - Atomic Absorption Spectrometry HPLC : High Performance Liquid Chromatography NPP : Normal Pulse Polarography SPP : Square Pulse Polarography ppm : Parts per million ppb : Parts per billion Danh mục bảng biểu Bảng : Nồng độ Asen nước số nơi giới Bảng : So sánh thông số phân tích Asen thiết bị truyền thống thiết bị nano Bảng 4.1 : Các hóa chất pha để dùng tình thực nghiệm Bảng 4.2 : Ảnh hưởng tích góp lên chiều cao peaks As(III) Bảng 4.3 : Điều kiện thực nghiệm khảo sát tích góp hòa tan As(III) Bảng 4.4 : Phụ thuộc cường độ peak As(III) vào khởi điểm Bảng 4.5 : Điều kiện thực nghiệm khảo sát đỉnh As(III) Bảng 4.6 : Thông số thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng nồng độ As(V) lên đỉnh As(III) Bảng 4.7 : Thông số thực nghiệm khảo sát đỉnh As(III) tăng nồng độ As(III) Bảng 4.8 : Khảo sát ảnh hưởng tốc độ quay điện cực trình khảo sát As Bảng 4.9 : Thông số thực nghiệm xây dựng đường chuẩn nồng độ As(III) Bảng 5.1: Những thông số thực nghiệm trình khảo sát ảnh hưởng độ pH Bảng 5.2 : Những thông số thực nghiệm trình khảo sát ảnh hưởng ion Bảng 5.3 : Thông số thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng ion Cu2+ Bảng 5.4 : Thông số thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng ion Fe2+ Bảng 5.5 : Thông số thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng ion Pb2+ Bảng 5.6 : Thông số thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng ion NO-3 SO42Bảng 5.7 : Ảnh hưởng số ion đến kết khảo sát As(III) 7 Danh mục đồ thị Hình 4.3 : Ảnh hưởng tích góp lên cường độ peak As(III) Hình 4.4 : Đường dòng As(III) cực phổ tuần hoàn Hình 4.5 : Đường dòng As(III) ứng với khởi điểm 0.0V Hình 4.6 : Đường dòng As(III) ứng với khởi điểm ứng với nồng độ As(V) khác Hình 4.7 : Ảnh hưởng tốc độ quay điện cực lên cường độ peak As(III) thu Hình 4.8 : Đồ thị biểu diễn nồng độ As(III) từ 2ppb – 10ppb Hình 4.9 : Đồ thị biểu diễn nồng độ As(III) từ 10ppb – 100ppb Hình 4.10:Đồ thị biểu diễn peak As(III) với nồng độ tăng dần Hình 5.1 : Ảnh hưởng pH (từ - 5)lên cường độ peak As(III) thu Hình 5.2 : Ảnh hưởng pH (từ - 9)lên cường độ peak As(III) thu Hình 5.3 : Tỉ lệ phần trăm ảnh hưởng độ pH trình phân tích As(III) Hình 5.4 : Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng ion Cu2+ đến cường độ peak As(III) Hình 5.5 : Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng ion Fe2+ đến cường độ peak As(III) Hình 5.6 : Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng ion Pb2+ đến cường độ peak As(III) Hình 5.7 : Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng ion NO-3 SO42 - đến cường độ peak As(III) Hình 5.8: Biểu đồ biểu diễn ảnh hưởng số ion lên trình khảo sát As 8 Danh mục hình ảnh Hình 1.1 : Arsen dạng thô tự nhiên[4] Hình 1.2 : Nguồn nước bị nhiễm Asen [5] Hình 1.3: Bệnh lý da người bị nhiễm asen[5] Hình 1.4: Qúa trình phát triển bệnh người bị nhiễm asen[4] Hình 3.1 Một số ứng dụng công nghệ nano Hình 3.2: Cảm biến có kích thước sợi mức nano Hình 3.3: Sơ đồ khối bước công nghệ để chế tạo sợi nano Au đế silic với lớp điện môi SiN Hình 4.1: Các Hình Ảnh chíp chứa sợi nano vàng sử dụng luận văn để phát As(III) Hình 4.2 Hệ đo điện hóa phân tích As(III) MỞ ĐẦU Như biết vấn đề ô nhiễm thạch tín (Asen) toàn cầu quan tâm sử dụng nước nhiễm thạch tín gây nhiều bệnh nguy hiểm bệnh da, đường ruột, tim mạch,… chí dẫn đến ung thư thận, phổi da Đối với thai phụ As qua thai bào thai làm tổn hại thai nhi dễ dẫn đến sảy thai sớm… Các tác hại trực tiếp gián tiếp sử dụng nguồn nước nhiễm thạch tín gây hậu nghiêm trọng tới đời sống hàng chục triệu người chí nhân loại Vì nghiên cứu để phát hiện, tách lọc thạch tín chữa trị bệnh nhiễm thạch tín gây quan tâm lớn quốc gia tổ chức WHO UNICEF Ở nước ta tình trạng nguồn nước nhiễm thạch tín nhiều vùng cảnh báo phát công trình nghiên cứu GS Phạm Hùng Việt : Tầng chứa nước nông Holocene nguồn gây ô nhiễm As, tầng chứa nước sâu Pleistocene ngày khai thác nhiều để cung cấp nguồn nước an toàn, cần phải nghiên cứu rõ hàm lượng ô nhiễm As thấp trì điều kiện Sự ô nhiễm asen tầng chứa nước Pleistocene khu vực Nam Đông nam Á tác động việc khai thác nước ngầm làm chậm lưu giữ asen trình di chuyển [22] Mặc dù chưa thực có nhiều nghiên cứu tiến hành để khẳng định mức độ gây hại việc sử dụng nguồn nước nhiễm As sức khỏe người Có nhiều nguyên nhân để công việc chưa triển khai rộng rãi nghiên cứu nghiên cứu đa ngành(phân tích môi trường, y học, thực phẩm), cần phải tiến hành mẫu nghiên cứu rộng thời gian tương đối dài…Việc máy móc để phân tích As nhanh xác trường làm hạn chế việc triển khai nghiên cứu nói Các nhà khoa học nước giới nghiên cứu đưa nhiều phương pháp phát xử lý thạch tín nước sinh hoạt hiệu đạt chưa cao Trong thời gian gần công nghệ nano với nhiều ưu việt lĩnh vực phân tích xử lý chất độc hại xem công nghệ đưa giải pháp ưu việt vấn đề phát xử lý As nước Ví dụ việc sử dụng trộn lẫn hạt nano vàng vào điện cực cho phép chế tạo thiết bị nano có khả phát thạch tín nhanh, xác, hiệu kinh tế… Sau nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển cảm biến As khác như: cảm biến sợi platin, bạc, vàng…trong cảm biến dựa cấu trúc sợi nano vàng quan tâm nhiều có độ nhạy cao việc phát thạch tín Trong thời gian vừa qua, Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano (LNT), ĐHQG Tp.HCM tiến hành đề tài nghiên cứu để chế tạo cảm biến phân tích As dựa cấu trúc sợi nano vàng (Au) Trong đề tài sử dụng cảm biến sợi nano vàng (được chế tạo đồng nghiệp làm) để định lượng nồng độ thạch tín nước, đồng thời khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả làm 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Khắc Vinh, Đặng Trung Thuận, Mai Trọng Nhuận, Phạm Hùng Việt (2001), Hiện trạng ô nhiễm arsen Việt Nam, Cục địa chất khoáng sản Việt Nam Phạm Ngọc Hồ (2000), Một số kết nghiên cứu Arsen môi trường không khí đô thị, Hội thảo quốc tế ô nhiễm asen, Hà Nội 12/2000 Đặng Mai (2000), Dị thường asen vùng Đồi Bù, Hội thảo quốc tế ô nhiễm asen, Hà Nội 12/2000 Từ Vọng Nghi, Trần Tứ Hiếu(1989), Cơ sở hóa phân tích tập 1, dịch từ tiếng Nga,Nxb Đại học trung học chuyên nghiệp Hà Nội Hien Duy Tong et al., Wafer-scale Encapsulated Dimensional Nanochannels and Its Application toward Visualization of Single Molecules, submitted to ACS nano, 2011 GS Pham Hung Viet, Retardation of arsenic transport through a Pleistocene aquifer, Nature, Vol 501, p 204-207, 9/2003 http://www.sws.uiuc.edu/gws/arsenic/ilsources.asp http://www.naisu.info/arsenic - 2002.htm Water technology (4/1999), United States, pp.43 10 http://cordis.europa.eu/fp7/home_en.html 11 http://beforeitsnews.com/story/34/703/Dutch_Government_Budgets_279 _Million_for_Netherlands_Nanotechnology_Initiative_from_2011-2014.html) 12 http://www.nanovip.com/node/54038 13 Cui, C M Lieber, Functional Nanoscale Electronic Devices Assembled Using Silicon Nanowire Building Blocks, Science, 291, 851, 2001 14 Gengfeng Zheng et al., Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays, Nature Biotechnology 23, 1294 - 1301 (2005) 15 Tong Duy Hiena,b, Tran Nhan Aia, Le Dang Khoaa, Le Thanh Tuyena Dang Mau Chiena , Fabrication of wafer-scale platinum nanowires and its application in glucose detection LNT 16 F Patolsky, B.P Timko, G Zheng and C.M Lieber, "Nanowire-Based Nanoelectronic Devices in the Life Sciences" MRS Bull 32, 142-149, 2007 17 Lei Xiao, Gregory G Wildgoose, Richard G Compton, Analytica Chimica Acta, Sensitive electrochemical deetection of arsenic (III) using gold nanoparticle modified carbon nanotubes via anodic stripping voltammetry, 620 (2008), 44-49 18 Hong li, Ronald B.Smart (1995), Determination of Sub – nanomolar concentration of asenic (III) in natural waters by square wave cathodic stripping voltammetriy, Analytica Chimica Acta 325 (1996), 25 – 32 61 19 Ram S.sadana (1983), Determination arsenic in the presence of copper by differential pulse cathodic stripping voltammetriy with the hanging mercury drop electrode, Analytica Chimistry, vol 55, No2, 1983 20 Application Bulletin 226/2e (2001), Determination of arsenic by stripping voltammetriy at the rotating gold electrode, Metohm 21 Walter Holak (1980), Determination arsenic by cathodic stripping voltammetriy with the hanging mercury drop electrode, Analytica Chimistry, vol 52, No 13, 1980 22 Environ (2006), Arsenite and Arsenate Binding to Dissolved Humic Acids:  Influence of pH, Type of Humic Acid, and Aluminum, Sci Technol., , 40 (19), pp 6015–6020 23 Guo-Jun Zhang et al., Label-free direct detection of MiRNAs with silicon nanowire biosensors, Biosensors and Bioelectronics 24 (2009) 2504–2508 24 Tsanangurayi Tongesayi , Ronald B Smart ( 2005), Arsenic Speciation: Reduction of Arsenic(v) to Arsenic(iii) by Fulvic Acid, Environmental Chemistry, 3(2) 137–141 [...]... hóa ph n tích tập 1, dịch từ tiếng Nga,Nxb Đại học và trung học chuyên nghiệp Hà Nội 5 Hien Duy Tong et al., Wafer-scale Encapsulated 2 Dimensional Nanochannels and Its Application toward Visualization of Single Molecules, submitted to ACS nano, 2011 6 GS Pham Hung Viet, Retardation of arsenic transport through a Pleistocene aquifer, Nature, Vol 501, p 204-207, 9/2003 7 http://www.sws.uiuc.edu/gws /arsenic/ ilsources.asp...60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Nguyễn Khắc Vinh, Đặng Trung Thuận, Mai Trọng Nhuận, Ph m Hùng Việt (2001), Hiện trạng ô nhiễm arsen ở Việt Nam, Cục địa chất và khoáng sản Việt Nam 2 Ph m Ngọc Hồ (2000), Một số kết quả nghiên cứu Arsen trong môi trường không khí đô thị, Hội thảo quốc tế về ô nhiễm asen, Hà Nội 12/2000 3 Đặng... electrochemical deetection of arsenic (III) using gold nanoparticle modified carbon nanotubes via anodic stripping voltammetry, 620 (2008), 44-49 18 Hong li, Ronald B.Smart (1995), Determination of Sub – nanomolar concentration of asenic (III) in natural waters by square wave cathodic stripping voltammetriy, Analytica Chimica Acta 325 (1996), 25 – 32 61 19 Ram S.sadana (1983), Determination arsenic in the... al., Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays, Nature Biotechnology 23, 1294 - 1301 (2005) 15 Tong Duy Hiena,b, Tran Nhan Aia, Le Dang Khoaa, Le Thanh Tuyena Dang Mau Chiena , Fabrication of wafer-scale platinum nanowires and its application in glucose detection LNT 16 F Patolsky, B.P Timko, G Zheng and C.M Lieber, "Nanowire-Based Nanoelectronic Devices in the Life... http://www.naisu.info /arsenic - 2002.htm 9 Water technology (4/1999), United States, pp.43 10 http://cordis.europa.eu/fp7/home_en.html 11 http://beforeitsnews.com/story/34/703/Dutch_Government_Budgets_279 _Million_for_Netherlands_Nanotechnology_Initiative_from_2011-2014.html) 12 http://www.nanovip.com/node/54038 13 Cui, C M Lieber, Functional Nanoscale Electronic Devices Assembled Using Silicon Nanowire Building... Acid, and Aluminum, Sci Technol., , 40 (19), pp 6015–6020 23 Guo-Jun Zhang et al., Label-free direct detection of MiRNAs with silicon nanowire biosensors, Biosensors and Bioelectronics 24 (2009) 2504–2508 24 Tsanangurayi Tongesayi , Ronald B Smart ( 2005), Arsenic Speciation: Reduction of Arsenic( v) to Arsenic( iii) by Fulvic Acid, Environmental Chemistry, 3(2) 137–141 ... 1983 20 Application Bulletin 226/2e (2001), Determination of arsenic by stripping voltammetriy at the rotating gold electrode, Metohm 21 Walter Holak (1980), Determination arsenic by cathodic stripping voltammetriy with the hanging mercury drop electrode, Analytica Chimistry, vol 52, No 13, 1980 22 Environ (2006), Arsenite and Arsenate Binding to Dissolved Humic Acids:  Influence of pH, Type of Humic