Tải bản đầy đủ

Phân tích nguyên tố dinh dưỡng và kim loại nặng độc trong mẫu gạo bằng phương pháp phân tích tích hoạt neutron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
--------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề Tài:
PHÂN TÍCH MỘT SỐ NGUYÊN TỐ DINH DƯỠNG VÀ KIM LOẠI
NẶNG ĐỘC TRONG MẪU GẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP KÍCH HOẠT
NEUTRON

SVTH: Lê Văn Sơn
GVHD: ThS. Cao Đông Vũ
GVPB: TS. Huỳnh Trúc Phương

------------------THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ - VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
--------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề Tài:
PHÂN TÍCH MỘT SỐ NGUYÊN TỐ DINH DƯỠNG VÀ KIM LOẠI
NẶNG ĐỘC TRONG MẪU GẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP KÍCH HOẠT
NEUTRON

SVTH: Lê Văn Sơn
GVHD: ThS. Cao Đông Vũ
GVPB: TS. Huỳnh Trúc Phương

------------------THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2011


LỜI CẢM ƠN
Để đạt được kết quả như ngày hôm nay, tôi xin gửi tới cha mẹ lòng biết ơn sâu
sắc đã sinh thành, nuôi dưỡng và tạo điều kiện cho tôi được học tập và phát huy khả
năng của mình.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân đã dạy dỗ
trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Để hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn Ths. Cao
Đông Vũ đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt cho tôi những kiến thức cũng như
những kinh nghiệm thực nghiệm quý báu.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Huỳnh Trúc Phương đã dành thời gian đọc luận
văn và góp ý cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn 07VLHN đã sát cánh cùng tôi
trên con đường tìm kiếm tri thức.

Khóa luận tốt nghiệp


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT ................................................................... 1
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ 2


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................... 3
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 4
CHƯƠNG I - TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về gạo ..................................................................................................... 6
1.1.1. Sơ lược về nguồn gốc của gạo và tình hình sản xuất lúa gạo trong
nước .............................................................................................................. 6
1.1.2. Đặc tính thực vật của gạo ............................................................................. 7
1.1.3. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu về gạo ................................................ 7
1.2. Tổng quan về lý thuyết phân tích kích hoạt neutron ................................................ 8
1.2.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 8
1.2.2. Nguyên tắc của phân tích kích hoạt neutron ................................................ 9
1.2.3. Phân tích kích hoạt nơtron dùng lò phản ứng............................................. 10
1.2.4. Những phương pháp chuẩn hóa NAA ........................................................ 13
1.2.4.1. Phương pháp tuyệt đối .................................................................. 13
1.2.4.2. Phương pháp tương đối ................................................................ 14
1.2.4.3. Phương pháp chuẩn đơn ............................................................... 15
1.2.4.4. Phương pháp chuẩn hóa k-zero ( k0 )............................................. 15
1.3. Tổng quan về phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) ........................ 16
1.3.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp hấp thụ nguyên tử ................................. 16
1.3.2. Phương pháp phân tích định lượng bằng phép đo AAS ............................. 17
1.3.2.1. Phương pháp so sánh .................................................................... 17
1.3.2.2. Phương pháp đồ thị chuẩn ............................................................ 18
1.3.3. Khả năng ứng dụng và ưu-nhược điểm của phép đo AAS......................... 18

Khóa luận tốt nghiệp


1.4. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................. 19
CHƯƠNG II – THỰC NGHIỆM
2.1. Thu thập và chuẩn bị mẫu phân tích, mẫu chuẩn và lá dò ..................................... 25
2.2. Chiếu và đo mẫu..................................................................................................... 27
2.2.1. Chiếu và đo mẫu gạo .................................................................................. 28
2.2.2. Chiếu và đo mẫu trấu.................................................................................. 29
2.3. Xử lý phổ và tính toán kết quả ............................................................................... 31
2.4. Đánh giá quy trình phân tích .................................................................................. 31
2.5. Đánh giá mức độ rủi ro khi tiêu thụ gạo ................................................................ 32
CHƯƠNG III – KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN
3.1. Kết quả phân tích ................................................................................................... 34
3.2. Kết quả đánh giá quy trình phân tích ..................................................................... 36
3.3. Đánh giá hàm lượng các nguyên tố trong gạo ....................................................... 37
3.4. Kết quả đánh giá mức độ rủi ro khi tiêu thụ gạo.................................................... 45
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 49
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 51

Khóa luận tốt nghiệp


1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
AAS

Tiếng Anh

Tiếng Việt
Absorption Quang phổ hấp thụ nguyên tử

Atomic
Spectrophotometer

EEC

European Economic Community

Cộng đồng kinh tế châu Âu

HPGe

High Purity Germanium

Đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh
khiết

IAEA

International

Atomic

Energy Cơ quan Năng lượng Nguyên
tử Quốc tế

Agency
INAA

Instrumental Neutron Activation Phân tích kích hoạt neutron
Analysis

dụng cụ

IQ

Intelligence Quotient

Hệ số thông minh

k0-NAA

k-zero Standardization Method of Phương pháp chuẩn hóa k-zero
Neutron Activation Analysis

trong phân tích kích hoạt
neutron

LOD

Limit of Detection

Giới hạn phát hiện

NAA

Neutron Activation Analysis

Phân tích kích hoạt neutron

NAC

Nuclear Analytical Community

Hiệp hội phân tích hạt nhân

NIST

National Institute of Standards Viện Chuẩn và Công nghệ
and Technology

US-EPA

United

States

Protection Agency

quốc gia Hoa Kỳ
Environmental Cơ quan bảo vệ môi trường
Hoa kỳ

Khóa luận tốt nghiệp


2
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Đặc tính một số mẫu gạo, trấu và cám phân tích ..................................... 25
Bảng 2.2: Các chế độ chiếu-rã-đo cho mẫu gạo ....................................................... 29
Bảng 2.3: Các chế độ chiếu-rã-đo cho mẫu trấu và cám .......................................... 30
Bảng 3.1: Hàm lượng trung bình và dải hàm lượng (ppm) của 20 nguyên tố
trong 18 mẫu gạo ...................................................................................... 34
Bảng 3.2: Hàm lượng trung bình và dải hàm lượng (ppm) của 20 nguyên tố
trong 10 mẫu trấu và cám ......................................................................... 35
Bảng 3.3: Kết quả phân tích mẫu chuẩn Hay power V-10 bằng quy trình
k0-NAA .................................................................................................... 36
Bảng 3.4: Chỉ số liều lượng rủi ro của một số nguyên tố đến sức khỏe con
người ........................................................................................................ 44
Bảng 3.5: So sánh dãy hàm lượng các nguyên tố trong các mẫu gạo Tiền Giang
với dãy hàm lượng tham khảo .................................................................. 45

Khóa luận tốt nghiệp


3
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Sơ đồ minh họa một phản ứng hạt nhân với neutron ................................. 9
Hình 1.2: Thông lượng neutron biểu diễn theo năng lượng ..................................... 12
Hình 2.1: Một số mẫu gạo, trấu và cám trong quá trình lấy mẫu đại diện, sấy
khô và nghiền mẫu ................................................................................... 26
Hình 2.2: Một số mẫu gạo, trấu sau khi hoàn tất quá trình chuẩn bị mẫu................ 27
Hình 2.3: Giao diện chương trình k0-DALAT ......................................................... 31
Hình 3.1: Kết quả phân tích mẫu chuẩn Hay power V-10 ....................................... 37
Hình 3.2: Hàm lượng Cd trong gạo phân tích so với tiêu chuẩn qui định của Bộ
Y tế ........................................................................................................... 38
Hình 3.3: Hàm lượng As trong gạo phân tích so với tiêu chuẩn qui định của Bộ
Y tế ........................................................................................................... 39
Hình 3.4: Hàm lượng Sb trong gạo phân tích so với tiêu chuẩn qui định của Bộ
Y tế ........................................................................................................... 40
Hình 3.5: Hàm lượng Pb trong gạo phân tích so với tiêu chuẩn qui định của Bộ
Y tế .......................................................................................................... 41
Hình 3.6: Hàm lượng Zn trong gạo phân tích so với tiêu chuẩn qui định của Bộ
Y tế ........................................................................................................... 42
Hình 3.7: Hàm lượng Cu trong gạo phân tích so với tiêu chuẩn qui định của Bộ
Y tế ........................................................................................................... 43

Khóa luận tốt nghiệp


4
MỞ ĐẦU
Kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron (neutron Activation Analysis - NAA)
trên lò phản ứng là một trong những kỹ thuật phân tích hạt nhân đặc trưng, hiện đại,
trực tiếp, có độ nhạy và độ chính xác cao, có khả năng đáp ứng yêu cầu của nhiều
bài toán thực tế và được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học
như trong địa chất, khảo cổ, Y- Sinh học, công nghệ vật liệu, nông nghiệp, công
nghiệp, môi trường, v.v.. Phương pháp phân tích kích hoạt neutron lò phản ứng có
khả năng phân tích định tính cũng như định lượng đa nguyên tố trong nhiều dạng
mẫu khác nhau dựa trên sự biến đổi các hạt nhân bền thành hạt nhân phóng xạ bằng
cách chiếu mẫu phân tích trong trường neutron lò phản ứng, đo đạc phổ gamma của
các đồng vị sản phẩm cho phép tính toán được hàm lượng của các nguyên tố có
trong mẫu phân tích.
Phương pháp chuẩn hóa k-zero trong NAA (hay còn gọi là k0-NAA) được giới
thiệu lần đầu tiên vào năm 1974 bởi hai tác giả là F. De Corte và A. Simonits. Từ đó
cho đến nay, k0-NAA luôn được quan tâm phát triển và sử dụng tại nhiều phòng thí
nghiệm NAA trên thế giới và đã được hiệp hội phân tích hạt nhân (NAC) công nhận
như một phương pháp phân tích chuẩn hóa [1], [14].
Trong phân tích các mẫu vật lương thực, thực phẩm, phương pháp NAA được
sử dụng khi xác định các nguyên tố vết trong các dạng mẫu rắn. Trong đề tài này
gạo được chọn làm đối tượng nghiên cứu.
Gạo là lương thực phổ biển của gần một nửa dân số thế giới và châu Á là nơi
sản xuất, cũng là nơi tiêu thụ khoảng 90% lượng gạo toàn thế giới. Trong đó, Việt
Nam là một nước thuộc khu vực Đông Nam Á chính vì vậy gạo cũng là sản phẩm
đặc trưng, có giá trị cao nhất trong sử dụng nội địa và xuất khẩu của nền nông
nghiệp Việt Nam. Gạo chiếm tỷ trọng cao nhất trong khẩu phần ăn và là nguồn
thâm nhập, chuyển hóa nhiều nguyên tố vào cơ thể người qua đường thức ăn.
Ngày nay, vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm luôn được nhắc tới như một vấn
đề lớn của xã hội, đang tạo ra nhiều lo lắng cho người dân. Việc sản xuất ra những
Khóa luận tốt nghiệp


5
sản phẩm kém chất lượng không những ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người
tiêu dùng mà còn ảnh hưởng xấu đến xuất khẩu, làm mất uy tín trên thương trường
quốc tế trong thời kỳ hội nhập.
Nhằm làm rõ thêm giá trị dinh dưỡng cũng như những kim loại nặng độc có
thể tồn tại trong một số sản phẩm gạo phổ biến trên thị trường trong nước, tác giả đã
chọn đề tài “Phân tích một số nguyên tố dinh dưỡng và kim loại nặng độc trong
mẫu gạo bằng phương pháp phân tích kích hoạt neutron” để làm khóa luận tốt
nghiệp.
Nội dung khóa luận được chia làm ba chương:
 Chương 1: Tổng quan lý thuyết.
 Chương 2: Thực nghiệm.
 Chương 3: Kết quả và bình luận.

Khóa luận tốt nghiệp


6
Chƣơng 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về gạo
1.1.1. Sơ lƣợc về nguồn gốc của gạo và tình hình sản xuất lúa gạo trong nƣớc
Nguồn gốc của gạo
Gạo là sản phẩm của quá trình sản xuất nông nghiệp thu được từ cây lúa.
Người ta cho rằng tổ tiên của lúa là một loài cây hoang dại trên siêu lục địa
Gondwana cách đây ít nhất 130 triệu năm và phát tán rộng khắp các châu lục trong
quá trình trôi dạt lục địa. Hiện nay có khoảng 21 loài cây hoang dại thuộc chi này và
2 loài lúa được đã thuần hoá thành cây lúa là lúa châu Á (Oryza sativa) và lúa châu
Phi (Oryza glaberrima). Tổ tiên của lúa châu Á O.sativa là một loại lúa hoang phổ
biến (Oryza rufipogon) dường như có nguồn gốc tại khu vực xung quanh chân núi
Himalaya, với O.sativa ở phía Ấn Độ và O.sativa ở phía Trung Quốc. Hiện nay đây
là giống lúa chính được gieo trồng làm cây lương thực trên khắp thế giới [14].
Tình hình sản xuất lúa gạo trong nước
Ở nước ta, sau hơn 20 năm đổi mới, từ một nước thiếu đói phải nhập lương
thực đã tiến đến đảm bảo an ninh lương thực và bắt đầu xuất khẩu gạo ra nước
ngoài từ năm 1989. Hạt gạo Việt Nam đã vươn tới thị trường năm châu và từ năm
1999 cho đến nay Việt Nam đã vươn lên hàng thứ hai thế giới về xuất khẩu gạo.
Theo viện nghiên cứu giống và cây trồng hiện nay ở Việt Nam có khoảng trên
250 giống lúa. Được sản xuất tập trung chính tại hai vựa lúa lớn nhất là đồng bằng
sông Hồng ở miền bắc với diện tích khoảng 15.000 Km2 và đồng bằng sông Cửu
Long ở miền Nam với diện tích khoảng 40.000 Km2. Hàng năm sản xuất ra khoảng
33 ÷ 34 triệu tấn thóc tiêu thụ trong nước và bổ sung nguồn lương thực dự trữ quốc
gia. Năm 2008 Việt Nam đạt sản lượng lúa kỷ lục: Hơn 38 triệu tấn, tăng khoảng
2.6 triệu tấn so với năm 2007 [2].

Khóa luận tốt nghiệp


7
1.1.2. Đặc tính thực vật của gạo
Hạt gạo chính là nhân của thóc sau khi xay để tách bỏ vỏ trấu. Hạt gạo sau khi
xay được gọi là gạo lứt, nếu tiếp tục xát để tách cám thì gọi là gạo.
Gạo là một nguồn cung cấp năng lượng cho cơ thể. Con người hấp thụ chất
bột và một số vitamin từ gạo. Nhiều dân tộc trên thế giới trong đó có Việt Nam lấy
gạo làm lương thực chủ yếu trong những bữa cơm gia đình. Hạt Gạo thường có màu
trắng, nâu hoặc đỏ thẫm, chứa nhiều dinh dưỡng. Sau khi xay xát, gạo trắng dùng để
nấu cơm, cám gạo dùng để chăn nuôi. Ngoài ra, cám gạo còn có giá trị như một vị
thuốc quan trọng trong việc điều trị một số bệnh.
Theo phân tích khoa học, thành phần của gạo có đầy đủ các đại dưỡng chất
sinh năng lượng là đạm, đường, mỡ protid, glucid, lipid) với các acid amin cần
thiết và acid béo chưa no cần thiết cao hơn so với loại thức ăn khác, mà nó còn có
nhiều vitamin

1,

2,

5,

6,

12), tiền vitamin (A, C, E, K, v.v..), các chất

khoáng K, Na, Ca, P, Mg, Zn, v.v..), các chất xơ tan và không tan có lợi cho tiêu
hóa. Trong cám gạo còn có các polysaccharid, người ta đã phân lập được một
polysaccharid R S có tác dụng sinh học chống ung thư. Nhưng trong gạo cũng
chứa một ít hàm lượng rất nhỏ các nguyên tố độc như Pb, Cd, As, v.v.. ít được quan
tâm đến vì chúng chiếm hàm lượng rất nhỏ trong gạo.
1.1.3. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu về gạo
Từ ngàn đời nay, cây lúa đã gắn bó với con người và làng quê Việt nam, đồng
thời cũng trở thành tên gọi cho một nền văn minh-nền văn minh lúa nước. Cây lúa
không chỉ mang lại sự no đủ mà còn trở thành một nét đẹp trong đời sống văn hóa
tinh thần, thêm vào đó gạo còn giúp người nông dân làm giàu trên chính quê hương
của họ. Cây lúa, hạt gạo đã trở nên thân thuộc gần gũi đến mức từ bao đời nay
người dân Việt Nam coi đó là một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Từ những
bữa cơm đơn giản đến các bữa tiệc quan trọng không thể thiếu sự góp mặt của gạo,
chỉ có điều nó được chế biến dưới dạng này hay dạng khác.

Khóa luận tốt nghiệp


8
Chính vì vậy, gạo được xem là nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá, cần thiết
cho sự sống. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của xã hội, quá trình đô thị hoá, công
nghiệp hoá, và thâm canh nông nghiệp ngày càng phát triển đã có nhiều ảnh hưởng
xấu đến nguồn tài nguyên này. Môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng gây ảnh hưởng
xấu tới chất lượng của gạo và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ của con người và
động vật. Chính vì vậy, việc nghiên cứu các nguyên tố dinh dưỡng và kim loại nặng
độc trong gạo đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sức khỏe con người, giúp
chúng ta hiểu rõ hơn về lúa gạo, thêm vào đó góp phần khẳng định giá trị của gạo
trong đời sống con người.
1.2. Tổng quan về lý thuyết phân tích kích hoạt neutron
1.2.1. Giới thiệu
Phân tích kích hoạt neutron (NAA) đã được giới thiệu bởi Georg von Hevesy
và Hilde Levi như là một phương pháp để định tính và định lượng có hiệu quả cao
trong việc phân tích đa nguyên tố trong nhiều loại mẫu khác nhau từ năm 1936,
trong đó neutron được dùng để kích hoạt hạt nhân trong mẫu.
Trong phân tích kích hoạt neutron, mẫu phân tích được kích hoạt bởi neutron.
Qua quá trình chiếu xạ, các đồng vị bền ở dạng tự nhiên của các nguyên tố được
chuyển thành những đồng vị phóng xạ bởi sự bắt neutron. Mỗi hạt nhân bền đều có
một xác xuất bắt neutron nhất định được gọi là tiết diện phản ứng hay tiết diện bắt
neutron (  ), có thứ nguyên được mô tả bằng đơn vị diện tích. Mỗi đồng vị phóng
xạ có thời gian bán rã riêng, đặc trưng cho đồng vị đó được gọi là chu kỳ bán rã
(T1/2). Khi neutron tương tác với hạt nhân bia qua quá trình tán xạ không đàn hồi,
một hạt nhân hợp phần trung gian ở trạng thái kích thích được tạo ra. Năng lượng
kích thích của hạt nhân hợp phần chính là năng lượng liên kết của neutron với hạt
nhân. Hầu hết các hạt nhân hợp phần đều có khuynh hướng trở về trạng thái cân
bằng bằng cách phát tia gamma tức thời đặc trưng. Tia gamma phát ra với một xác
xuất riêng gọi là cường độ gamma tuyệt đối (  ). Các tia gamma có thể phát hiện
bằng detector bán dẫn có độ phân giải cao. Trong phổ gamma, năng lượng đặc trưng

Khóa luận tốt nghiệp


9
của đỉnh được phát hiện chỉ thị cho nguyên tố hiện diện trong mẫu hay còn gọi là
phép định tính và diện tích của đỉnh cho phép xác định hàm lượng của các nguyên
tố gọi là phép định lượng [3].
1.2.2. Nguyên tắc của phân tích kích hoạt neutron
Cơ sở của phương pháp NAA là dựa trên phản ứng của các neutron với hạt
nhân nguyên tử. Quan trọng nhất trong NAA là phản ứng (n,  ). Hạt nhân bia X hấp
thụ một neutron để tạo ra một hạt nhân phóng xạ với cùng số nguyên tử Z nhưng
khối lượng nguyên tử A tăng lên một đơn vị và phát tia gamma đặc trưng. Quá trình
này được biểu diễn qua phản ứng:
A
Z

X  1n  ( A  1 X )* 
0

Z

A 1
Z

X 

A: số khối của nguyên tố bia, Z: Số điện tích nhân bia.
Sơ đồ phản ứng điển hình trong phân tích kích hoạt được trình bày ở hình 1.1:

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa một phản ứng hạt nhân với neutron
Ký hiệu (*) trong quá trình biểu diễn cho hạt nhân hợp phần ở giai đoạn trung
gian. Năng lượng kích thích của nhân hợp phần bằng tổng năng lượng liên kết
En của neutron và động năng Ek của neutron tới: E * = En + Ek .

Khóa luận tốt nghiệp


10
1.2.3. Phân tích kích hoạt neutron dùng lò phản ứng
Lò phản ứng tiếp tục là nguồn neutron chiếm ưu thế tuyệt đối trong phân tích
kích hoạt. Với thông lượng cao từ 1012  1014 n/ cm-2s-1 , các nguồn neutron lò phản
ứng cho phép thực hiện được các phép phân tích với độ nhạy cao và rút ngắn thời
gian chiếu mẫu. Các loại lò phản ứng khác nhau và những vị trí khác nhau trong
một lò phản ứng có thể thay đổi đáng kể phân bố năng lượng và thông lượng
neutron.
Neutron sinh ra trong lò phản ứng có năng lượng trong khoảng từ 0 đến 20
Mev. Trong khoảng năng lượng này, tính chất tương tác của neutron với vật chất
khác nhau trong từng miền năng lượng khác nhau. Do đó, một cách tương đối người
ta chia phổ neutron thành ba vùng năng lượng tương ứng, trong mỗi vùng năng
lượng là các loại neutron có các đặc điểm khác nhau. Cụ thể là:
 Neutron nhiệt: vùng năng lượng nằm trong khoảng 0neutron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt với các phần tử môi
trường. Mật độ neutron nhiệt phụ thuộc vào năng lượng neutron theo quy luật
Maxwel-Boltzmann:
n(E) 

2n

 kT 

3/ 2

e-E/kT E

(1.1)



Trong đó: n   n(E)dE là mật độ neutron toàn phần, k=8,61x10-5 eV/K là hằng số
0

Boltzmann, E là năng lượng neutron nhiệt, T là nhiệt độ môi trường.
 Neutron trung gian hay neutron trên nhiệt: vùng năng lượng trong
khoảng 0,5eV  En  0,5MeV . Các neutron trong quá trình làm chậm được gọi là
neutron nhiệt, ở vùng này tiết diện tương tác của neutron trên nhiệt với vật chất có
dạng cộng hưởng. Do đó, miền năng lượng này được gọi là miền cộng hưởng và các
neutron trung gian còn được gọi là neutron cộng hưởng [4]. Một cách lý tưởng,
phân bố thông lượng neutron trên nhiệt tỉ lệ nghịch với năng lượng neutron E:

Khóa luận tốt nghiệp


11
e (E) 

e
E

(1.2)

Trong đó: e (E) - thông lượng neutron nhiệt ở năng lượng E, và e - thông lượng
neutron trên nhiệt quy ước. Nhưng trong thực tế sự phụ thuộc này được biểu diễn
gần đúng bởi dạng:
e (E) 

e
(1eV)
1
E

(1.3)

Ở đây,  là hệ số độc lập với năng lượng, biểu diễn độ lệch phổ khỏi quy luật 1/E
và có giá trị nằm trong khoảng [-1,1] tùy theo cấu hình lò phản ứng, vị trí trong lò
và vật liệu xung quanh.
 Neutron phân hạch hay neutron nhanh: vùng năng lượng trong khoảng
En  0,5MeV , cực đại ở 0,7 MeV. Các neutron nhanh được sinh ra trong quá trình

phân hạch, sau quá trình làm chậm trở thành các neutron nhiệt và neutron trên nhiệt.
Vì qúa trình phân hạch vẫn tiếp diễn nên có một số neutron nhanh sẽ tồn tại đồng
thời với neutron nhiệt và neutron trên nhiệt.
Phân bố thông lượng neutron nhanh thường mô tả bởi phân bố Watt:
f (E)  0.484f e-E sinh 2E

(1.4)

Trong đó: E là năng lượng neutron (MeV), f (E) : thông lượng neutron nhanh ở
năng lượng E.
Sơ đồ thông lượng neutron theo năng lượng được biểu diễn theo hình 1.2:

Khóa luận tốt nghiệp


12

Hình 1.2: Thông lượng neutron biểu diễn theo năng lượng
Khi đặt hạt nhân trong trường neutron, tốc độ phản ứng R đối với một hạt
nhân bắt một neutron được tính theo công thức:




0

0

R   (v)(v)dv   (E)(E)dE

(1.5)

Trong đó: R là tốc độ phản ứng (n.s-1), v là vận tốc neutron (cm.s-1), (v) là tiết
diện phản ứng (n, ) ở vận tốc neutron v (cm2), (E) là tiết diện phản ứng (n, ) ở
năng lượng neutron E (cm2), (v) là thông lượng neutron ở vận tốc v, (E) là thông
lượng neutron ở năng lượng E.
Phương trình kích hoạt cho lượng nguyên tố g) như sau:
w

Np / t c

M
1
1
.
.
S.D.C .N A . G th th 0  G e e I0 ()  p
.

(1.6)

Trong đó: N p / t c là tốc độ xung đo được tại đỉnh năng lượng quan tâm (số
đếm/giây), Np là số đếm trong đỉnh năng lượng toàn phần, NA là hằng số Avogadro,
w là khối lượng nguyên tố được chiếu xạ (g), M là khối lượng nguyên tử của
nguyên tố bia,  là độ phổ cập đồng vị bia,  là cường độ tuyệt đối của tia gamma
Khóa luận tốt nghiệp


13
được đo,  p là hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng, 0 là tiết diện phản ứng ( n,  ) ứng
với neutron có vận tốc 2200m.s-1, th là thông lượng neutron nhiệt (n.cm-2.s-1), e là
thông lượng neutron trên nhiệt (n.cm-2.s-1), G th là hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che
chắn neutron nhiệt, Ge là hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn neutron trên nhiệt,
S  1  exp(t i )



hệ

số

bão

hòa,

D  e xp(t d ) là

hệ

số

phân

rã,

C  [1  e xp(t c )]/(t c ) là hệ số đo, ti là thời gian chiếu, td là thời gian rã, tc là thời

gian đo, I0 () là tích phân cộng hưởng cho phổ neutron trên nhiệt dạng phân bố
1/ E1 .

Ưu điểm: Phân tích kích hoạt neutron dùng lò phản ứng có khả năng kích hoạt
mạnh nhất, dòng neutron có thông lượng cao, tiết diện hấp thụ neutron cao trong
vùng nhiệt đối với đa số các nguyên tố nên phép phân tích có độ nhạy cao nhất cho
hầu hết các nguyên tố. Lò phản ứng có nhiều kênh chiếu với thông lượng và năng
lượng neutron khác nhau phù hợp cho nhiều loại mẫu phân tích khác nhau [1], [3].
Khuyết điểm: Lò phản ứng hạt nhân quá to, cố định xây dựng, vận hành tốn
kém, phải chấp hành luật lệ an toàn nghiêm ngặt.
1.2.4. Những phƣơng pháp chuẩn hóa NAA
1.2.4.1. Phƣơng pháp tuyệt đối
Hàm lượng nguyên tố  (g/g) quan tâm trong mẫu được tính bằng cách chiếu
kèm mẫu với một monitor chuẩn (kí hiệu *) và áp dụng phương trình (1.6):

 Np / t m 

*
*
*
*
M.* .* G th .f  G e .Q0 ()   p
  W.S.D.C
A*sp
M* ..  G th .f  G e Qo ()  p

Trong đó: w  .W ,  là hàm lượng (g/g), W là khối lượng mẫu (g), f 

(1.7)
th
là tỉ số
e

thông lượng neutron nhiệt trên thông lượng neutron trên nhiệt.

Khóa luận tốt nghiệp


14
Mối quan hệ giữa tì số tiết diện và tiết diện tích phân cộng hưởng Q o , I o :
Q 0 ( ) 

Io    Q0  0, 429
0, 429

 

o
E Cd  2  1
E r

(1.8)

Trong đó: Q0 () là tỉ số tích phân cộng hưởng trên tiết diện đối với phổ neutron trên
nhiệt phân bố dạng 1/ E1 , I0 () là tích phân cộng hưởng trên tiết diện đối với phổ


neutron trên nhiệt phân bố dạng 1/ E1 , Er là năng lượng cộng hưởng hiệu dụng
(eV), E Cd là năng lượng ngưỡng Cd ( E Cd = 0,55 eV),  là biểu diễn độ lệch phân bố
phổ neutron trên nhiệt khỏi quy luật 1/ E , làm gần đúng thành dạng 1/ E1 .
Công thức cơ bản của phương pháp tuyệt đối ở trên dùng các số liệu hạt nhân
(M, , 0 , ) được lấy từ tài liệu. Đối với nhiều phản ứng (n, ) quan tâm, các thông

số này không được biết một cách chính xác. Bởi vì chúng được xác định bằng các
phương pháp độc lập, độ không đảm bảo đo của các thông số này sẽ tích lũy vào kết
quả cuối cùng, tạo ra một nguồn sai số rất lớn. Đây chính là nhược điểm cơ bản của
phương pháp chuẩn hóa tuyệt đối nên trong thực tế phương pháp chuẩn hóa này ít
được sử dụng.
1.2.4.2. Phƣơng pháp tƣơng đối
Trong phương pháp chuẩn hóa tương đối, mẫu phân tích được chiếu và đo
dưới cùng một điều kiện với mẫu chuẩn hay mẫu tham khảo chứa một lượng đã biết
của nguyên tố quan tâm. Do đó, dựa vào tỉ số diện tích đỉnh tương ứng với nguyên
tố quan tâm trong hai phổ được đo để tính hàm lượng. Trong quy trình này, tất cả
các số liệu hạt nhân như tiết diện bắt neutron, thông lượng, hiệu suất ghi, thời gian
chiếu, v.v.. đều được loại bỏ nên không còn ảnh hưởng.
Chia hai phương trình kích hoạt cho mẫu phân tích và mẫu chuẩn tương ứng ta
nhận được được công thức tính hàm lượng bằng phương pháp tương đối như sau:

Khóa luận tốt nghiệp


15
 Np / t m 


D.C.W  x

 Np / t m 


 D.C.w s

(1.9)

Trong đó: “x” là chỉ mẫu phân tích, “s” là chỉ mẫu phân tích, W là khối lượng mẫu
(g), w: khối lượng nguyên tố quan tâm.
Ưu điểm: Phương pháp tương đối cho kết quả chính xác nhất trong các
phương pháp chuẩn hóa của NAA.
Nhược điểm: Không dễ dàng tìm ra được một loại mẫu chuẩn đa nguyên tố có
đồng matrice và dải hàm lượng tương ứng để sử dụng.
1.2.4.3. Phƣơng pháp chuẩn đơn
Chiếu mẫu cùng với một monitor dùng làm chuẩn. Phương pháp này dựa trên
việc gộp các thông số hạt nhân, điều kiện chiếu và đo vào hệ số k như sau:
*
*
*
*
M.* .* G th .f  G e .Q0 ()  p
k *
M ..  G th .f  G e .Q0 ()   p

(1.10)

Người ta xác định bằng thực nghiệm các hệ số k của nguyên tố chọn làm
chuẩn đối với từng nguyên tố quan tâm, sau đó lập thành bảng. Khi phân tích người
ta chỉ cần chiếu kèm với mẫu một nguyên tố chuẩn đã chọn và dùng các hệ số k để
tính ra hàm lượng nguyên tố quan tâm theo công thức sau:
Np / t m
1
  W.S.D.C
*
k
A sp

(1.11)

Ưu điểm: Phương pháp này thuận tiện cho việc phân tích đa nguyên tố mà
không cần sử dụng chuẩn đa nguyên tố.
Khuyết điểm: Bởi vì các hệ số k phụ thuộc vào các thông số của thiết bị chiếu
và đo, do đó nhược điểm của phương pháp chuẩn đơn là không linh hoạt khi thay
đổi điều kiện chiếu hoặc điều kiện đo [1].

Khóa luận tốt nghiệp


16
1.2.4.4. Phƣơng pháp chuẩn hóa k-zero ( k0 )
Để phương pháp chuẩn đơn có thể áp dụng linh hoạt hơn, người ta định hệ số
k0 sao cho độc lập với điều kiện đo và điều kiện chiếu:
k 0,m a  

M m  a a 0,a
M a  m m 0,m

(1.12)

Trong đó: Hệ số k0 được thu từ thực nghiệm, ”a” chỉ nguyên tố cần phân tích, “m”
chỉ nguyên tố làm monitor (phổ biến là Au).
Chiếu mẫu cùng lúc với lá dò (monitor), ta thu được hàm lượng của nguyên tố
trong mẫu được tính như sau:
 Np / t m 


1 G th,m .f  G e,m .Q0,m ()   p,m
 W.S.D.C a

Asp,m
k 0,m  a  G th,a .f  G e,a .Q0,a ()  p,a

(1.13)

Phương pháp k0 đã được nghiên cứu để khắc phục một số nhược điểm của
các phương pháp trình bày trên nên rất đơn giản trong thực nghiệm, độ chính xác
cao, linh hoạt trong việc thay đổi điều kiện chiếu và điều kiện đo, thích hợp với việc
tự động hóa.
Với những ưu điểm của phương pháp k0, các phòng thí nghiệm NAA của cơ
quan năng lượng quốc tế (IAEA), hiệp hội phân tích hạt nhân (NAC) và cộng đồng
kinh tế châu âu EEC) đã khuyến cáo dùng k0-NAA như một phương pháp chuẩn
cho nhiều đối tượng nghiên cứu. Với vai trò này, phương pháp k0-NAA ngày càng
được nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện [4].
1.3. Tổng quan về phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
1.3.1. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp hấp thụ nguyên tử
Phương pháp này dựa vào khả năng hấp thụ chọn lọc các bức xạ điện từ của
nguyên tử ở trạng thái tự do. Mỗi một nguyên tử tự do có thể hấp thụ bức xạ có
bước sóng xác định. Trong phương pháp này, người ta phun mẫu ở dạng aerosol

Khóa luận tốt nghiệp


17
(những hạt vô cùng nhỏ) vào thiết bị nguyên tử hóa và trong thiết bị này mẫu phân
tích sẽ phân hủy tạo ra những nguyên tử tự do.
Sau khi nguyên tử hóa xong nếu chiếu một chùm bức xạ có bước sóng xác
định vào đám hơi nguyên tử tự do, các nguyên tử tự do đó sẽ hấp thụ bức xạ có
bước sóng tương ứng đúng với các tia bức xạ mà nó có thể phát ra trong quá trình
phát xạ) để chuyển lên trạng thái kích thích có mức năng lượng gần nhất, kết quả
phổ hấp thụ nguyên tử được sinh ra. Dựa vào phổ hấp thụ nguyên tử này ta có thể
giải quyết được nhiều bài toán định lượng các nguyên tố trong mẫu phân tích.
1.3.2. Phƣơng pháp phân tích định lƣợng bằng phép đo AAS
Phép đo phổ AAS định lượng dựa trên phương trình cơ bản của định luật
Bouger-Lamber-Beer:
D  .l.C  a.Cd

(1.14)

Trong đó: C là nồng độ mẫu phân tích, D là mật độ hấp thụ nguyên tử.
Trong giới hạn nồng độ thấp (C nhỏ) thì d=1, quan hệ giữa D Và C là tuyến
tính D=a.C. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử chỉ áp dụng phương trình
khi C nhỏ. Dưới đây là các phương pháp thường dùng trong quang phổ hấp thụ để
định lượng.
1.3.2.1. Phƣơng pháp so sánh
Đo mật độ hấp thụ (D) của mẫu chuẩn và mẫu cần xác định nồng độ rồi so
sánh hai kết quả để tìm ra nồng độ của mẫu cần xác định.
Thành phần các chất trong mẫu ảnh hưởng lớn đến kết quả, do vậy trong khi
thí nghiệm ta phải tiến hành mẫu chuẩn và mẫu phân tích trong những điều kiện
hoàn toàn như nhau. Đặc biệt làm sao cho để thành phần mẫu chuẩn và mẫu phân
tích càng giống nhau càng tốt: Dc=a.Cc, Dx=a.Cx
Suy ra: Dc/Dx=Cc/Cx hay Cx= Dx. Cc/Dc
Trong đó: Dx, Cx là mật độ hấp thụ nguyên tử và nồng độ mẫu phân tích, Dc, Cc là
mật độ hấp thụ nguyên tử và nồng độ mẫu mẫu chuẩn.

Khóa luận tốt nghiệp


18
Phương pháp này ít được sử dụng do sai số khá lớn.
1.3.2.2. Phƣơng pháp đồ thị chuẩn
Dựa vào dãy mẫu chuẩn (  3) để lập đồ thị chuẩn D=f(C) rồi từ đồ thị này và
giá trị Dx của mẫu phân tích để xác định nồng độ Cx của nguyên tố cần phân tích
trong mẫu.
Tiến hành đo mật độ hấp thụ của dãy dung dịch chuẩn (D), từ kết quả nhận
được vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ hấp thụ vào nồng độ C dưới dạng
một đường thẳng D=a1.C+a0. Từ đồ thị hay phương trình đường chuẩn D=f(C) và
đo mẫu phân tích (Dx), từ giá trị của Dx ta tính được Cx.
Dùng phương pháp này có thể tính được hàng loạt mẫu nhưng khó có thể
chuẩn bị được mẫu đầu hoàn toàn giống với mẫu phân tích.
1.3.3. Khả năng ứng dụng và ƣu-nhƣợc điểm của phép đo AAS
Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử chủ yếu để xác định hàm lượng vết các nguyên
tố kim loại trong các đối tượng phân tích khác nhau. Đến nay ngưới ta có thể định
lượng được hầu hết các kim loại (khoảng 65 nguyên tố) và một số phi kim đến hàm
lượng cỡ ppm với sai số <15%.
Do có độ nhạy cao, độ chính xác và độ chọn lọc cao mà phương pháp này
thường được ứng dụng để xác định vi lượng các nguyên tố trong phân tích môi
trường, phân tích nước và các sản phẩm công-nông nghiệp, thực phẩm, v.v..
Bên cạnh các ưu điểm như: có độ nhạy và độ chọn lọc cao, kết quả phân tích
ổn định, sai số nhỏ, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để định lượng vết
kim loại thì phép đo AAS cũng có nhược điểm là do có độ nhạy cao nên sự nhiễm
bẩn có ý nghĩa đối với phép đo, vì thế phòng thí nghiệm phải không có bụi, dụng
cụ, hóa chất phải tinh khiết. Phương pháp này chỉ cho biết thành phần nguyên tố của
chất có trong mẫu phân tích mà không cho trạng thái liên kết trong thành phần.
Nhưng có thể nói AAS là một trong những phép do ưu việt trong hệ thống các
phương pháp phân tích.

Khóa luận tốt nghiệp


19
1.4. Đối tƣợng nghiên cứu
Các nguyên tố nặng độc là các nguyên tố có rất ít trong gạo chỉ vào cỡ vài
ppm, nồng độ của chúng tuỳ thuộc vào từng loại gạo, chúng thường là các kim loại
như Pb, Cd, As, v.v..), còn lại hầu hết là các nguyên tố dinh dưỡng cho cơ thể
sống. Các nguyên tố hoá học trong cơ thể con người có vai trò khác nhau ở từng độ
tuổi, từng hàm lượng hấp thụ vào cơ thể người. Chúng đều có vai trò quan trọng
trong quá trình sinh trưởng và phát triển của con người. Một số trong chúng khi có
hàm lượng vừa phải thì không có ảnh hưởng xấu tới người và vật nuôi thậm chí còn
có tác dụng tốt, tuy nhiên khi có hàm lượng cao chúng lại trở thành những chất
nhiễm độc mạnh gây ra một số tác động xấu cho người và động vật. Vì các lý do
trên mà việc tìm hiểu và xác định chính xác hàm lượng các nguyên tố này trong gạo
là một việc làm hết sức cần thiết để từ đó có thể sử dụng các loại gạo cho phù hợp
để có thể bảo vệ được sức khoẻ cho người sử dụng.
 Arsenic (As)
As tham gia vào quá trình chuyển hóa năng lượng cho cơ thể nhưng asen và
hợp chất của nó đều độc và đều là nhân tố gây ung thư, gây rối loạn quá trình sinh
hóa, rối loạn hoạt động thần kinh, gây cản trở sự cung cấp năng lượng cho tế bào và
quá trình tổng hợp acid nucleic, protein, gây nhiễm độc máu người và động vật.
Ngộ độc asen mãn tính có thể gây viêm da và viêm thần kinh. Ngộ độc asen cấp
tính có thể gây tử vong. Hàm lượng asen tích lũy trong cơ quan nội tạng người dao
động từ 0,03 ÷ 0,333 mg/người, hàm lượng asen thường tập trung chủ yếu vào tóc,
gan, đặc biệt là trong nhau thai hàm lượng asen có thể lên đến 40  g / g / trọng
lượng khô. Mức xâm nhập hàng ngày của asen vào cơ thể người Việt Nam là vào
khoảng 0,069 mg/ngày/người) [5,10].
 Cadmi (Cd)
Cadmi không có chức năng về sinh học nhưng nó là kim loại nặng có độc hại
cao đối với thực vật và động vật. Hàm lượng cadmi cao trong thực vật do chúng
được trồng trên vùng đất bị ô nhiễm. Cadmi thâm nhập vào cơ thể, một phần lớn bị
Khóa luận tốt nghiệp


20
tiêu hóa và dẫn đến thận rồi thải ra ngoài cơ thể. Cadmi là nguyên tố rất độc, cơ thể
sẽ bị ngộ độc khi tiêu thụ hơn 1 mg/ngày/người. Cadmi khi vào cơ thể sẽ tích tụ lại
trong thận gây ức chế hoạt động của thận, đồng thời gây tổn hại đến phổi. Mức xâm
nhập hàng ngày của cadmi vào cơ thể người Việt Nam là vào khoảng 0,041
mg/ngày/người) [6].
 Đồng (Cu)
Đồng có trong tất cả các cơ quan trong cơ thể, nhưng tập trung chủ yếu ở một
vài cơ quan như gan, vùng trên não. Đồng có nhiều chức năng quan trọng cho sự
phát triển của cơ thể như: chịu trách nhiệm thức tỉnh, tham gia vào quá trình sản
xuất hồng cầu, tổng hợp myelin, hormone, sắc tố da, hoạt hóa enzyme. Nếu thiếu
đồng thì sự trao đổi sắt cũng sẽ bị ảnh hưởng, nên cơ thể sẽ bị thiếu máu và sinh
trưởng chậm, v.v.. Nhu cầu của cơ thể với đồng ít hơn sắt nhưng không thể thiếu
đồng tới hoạt động của hệ thần kinh và các hoạt động khác của cơ thể v.v.. Nhưng
khi hàm lượng đồng trong cơ vượt quá 10g/kg thể trọng sẽ gây tử vong, hàm lượng
trong khoảng 60 ÷ 100 mg/kg gây nên buồn nôn, mửa oẹ. Mức xâm nhập hàng ngày
của đồng vào cơ thể người Việt Nam là vào khoảng 0,87 ÷ 1,22 mg/ngày/người)
[14].
 Sắt (Fe)
Hàm lượng sắt trong cơ thể là rất ít, chiếm khoảng 0,004% được phân bố ở
nhiều loại tế bào của cơ thể. Sắt là nguyên tố vi lượng tham gia vào cấu tạo thành
phần Hemoglobin của hồng cầu, myoglobin của cơ vân và các sắc tố hô hấp ở mô
bào và trong các enzim. Sắt là thành phần quan trọng của nhân tế bào, cơ thể thiếu
sắt sẽ bị thiếu máu nhất là phụ nữ có thai và trẻ em. Thiếu sắt sẽ làm giảm năng
lượng và khả năng chịu đựng của cơ thể, gây vô cảm, ngủ gật, giảm khả năng tập
trung. Đối với người và động vật có thân nhiệt ổn định, sắt ít gây nhiễm độc. Nguồn
sắt thường có nhiều trong thịt, rau, quả, lòng đỏ trứng, đậu đũa, mận v.v.. Nhu cầu
sắt hằng ngày của mỗi người là từ khoảng 10 ÷ 30 miligram [11].
 Kali (K)
Khóa luận tốt nghiệp


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×