Phân tích môi trường xác định thành phần và đặc tính như thế nào?

Điểm quan trọng là kết quả không hình thành chỉ từ thao tác đo trong phòng thí nghiệm. Mẫu phải đại diện cho môi trường cần khảo sát, được bảo quản phù hợp, xử lý đúng phương pháp và đo bằng kỹ thuật có khả năng nhận biết chính xác chỉ tiêu cần xác định. Vì vậy, một kết quả phân tích có ý nghĩa khi toàn bộ chuỗi từ lấy mẫu → bảo quản → chuẩn bị mẫu → đo → hiệu chuẩn → kiểm soát chất lượng → diễn giải kết quả được kiểm soát.

Phân tích môi trường biến mẫu thực tế thành dữ liệu đo lường như thế nào?

Một mẫu môi trường thường là hỗn hợp phức tạp. Nước có thể chứa ion hòa tan, kim loại, hợp chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng và vi sinh vật. Đất có khoáng chất, chất hữu cơ, nước lỗ rỗng và nhiều chất có thể hấp phụ lên hạt đất. Không khí lại chứa cả khí, hơi và các hạt có kích thước khác nhau.

Vì thế, không có một phép đo duy nhất cho biết toàn bộ thành phần của mẫu. Trước khi phân tích phải xác định chỉ tiêu cần tìm và lựa chọn phương pháp có tính chọn lọc đối với chỉ tiêu đó. Chẳng hạn, pH được xác định bằng đáp ứng điện hóa của điện cực; kim loại có thể được đo bằng quang phổ nguyên tử; nhiều hợp chất hữu cơ được tách bằng sắc ký rồi nhận biết hoặc định lượng bằng detector thích hợp.

US EPA cũng tổ chức các phương pháp phân tích phòng thí nghiệm theo từng nhóm môi trường như không khí, nước và chất thải rắn, phản ánh thực tế rằng phương pháp phải phù hợp với chất cần đo và nền mẫu cụ thể.

Kết quả cuối cùng có thể thuộc hai dạng chính. Phân tích định tính trả lời chất hoặc nhóm chất nào hiện diện. Phân tích định lượng xác định lượng của chất đó dưới dạng nồng độ, hàm lượng, khối lượng hoặc một đại lượng đặc trưng khác. Trong nhiều phép thử thực tế, hai nhiệm vụ này diễn ra liên tiếp: trước tiên nhận diện tín hiệu của chất cần phân tích, sau đó xác định lượng chất từ độ lớn của tín hiệu.

Thành phần của mẫu được xác định dựa trên dấu hiệu đặc trưng của từng chất

Muốn biết một chất có trong mẫu hay không, phương pháp phải tạo được tín hiệu có quan hệ đủ đặc trưng với chất đó. Tín hiệu có thể là độ hấp thụ ánh sáng, bước sóng phát xạ, thời gian lưu trên hệ sắc ký, tỷ số khối lượng trên điện tích của ion, thế điện cực hoặc một phản ứng hóa học có thể quan sát và đo được.

Ví dụ, khi phân tích một mẫu nước, phòng thí nghiệm có thể khảo sát các nhóm chỉ tiêu khác nhau:

·         Đặc tính chung: pH, độ dẫn điện, độ đục, chất rắn

·         Chất vô cơ: amoni, nitrat, phosphat, chloride, sulfate

·         Kim loại: chì, cadimi, thủy ngân, asen hoặc các nguyên tố khác theo mục tiêu phân tích

·         Chất hữu cơ: hydrocarbon, dung môi, thuốc bảo vệ thực vật hoặc các hợp chất hữu cơ mục tiêu

·         Chỉ tiêu sinh học: các nhóm vi sinh vật hoặc dấu hiệu sinh học phù hợp với mục đích kiểm tra

Một tín hiệu xuất hiện chưa luôn đủ để khẳng định tuyệt đối rằng chất mục tiêu hiện diện. Nền mẫu có thể chứa thành phần gây nhiễu và tạo tín hiệu gần giống. Vì vậy, phương pháp phân tích phải kiểm soát tính chọn lọc, mẫu trắng, chất chuẩn và các yếu tố gây nhiễu. Với kỹ thuật có khả năng nhận diện mạnh hơn như sắc ký kết hợp khối phổ, kết luận còn có thể dựa đồng thời vào thời gian lưu và đặc trưng phổ của chất.

Điều này giải thích vì sao “thành phần của mẫu” không đồng nghĩa với việc phòng thí nghiệm tự động tìm thấy mọi chất tồn tại trong mẫu. Kết quả chỉ bao phủ những chất hoặc nhóm chỉ tiêu mà chương trình phân tích và phương pháp đã được thiết kế để phát hiện.

Nồng độ được xác định từ tín hiệu đo và quá trình hiệu chuẩn

Sau khi có tín hiệu liên quan đến chất cần phân tích, phòng thí nghiệm phải chuyển tín hiệu đó thành một đại lượng định lượng. Cơ sở của bước này là mối quan hệ giữa lượng chất có trong mẫu và đáp ứng của hệ thống đo.

Một cách phổ biến là chuẩn bị các dung dịch chuẩn có nồng độ đã biết, đo đáp ứng của chúng và xây dựng đường hiệu chuẩn. Khi mẫu chưa biết được đo trong cùng điều kiện, tín hiệu của mẫu được đối chiếu với quan hệ hiệu chuẩn để tính nồng độ. Nếu mẫu đã được pha loãng, chiết, cô đặc hoặc trải qua nhiều bước chuẩn bị khác, các hệ số tương ứng phải được đưa vào phép tính cuối cùng.

Ví dụ đơn giản, nếu tín hiệu của một phép đo quang phổ tăng tuyến tính theo nồng độ trong khoảng làm việc, độ hấp thụ của mẫu có thể được đưa vào phương trình hiệu chuẩn để suy ra nồng độ chất phân tích. Với các hệ thống phức tạp hơn như ICP-MS, GC-MS hoặc LC-MS, nguyên lý vẫn tương tự: tín hiệu được định lượng phải có quan hệ đã được xác lập với lượng chất.

Độ nhạy của phương pháp cũng đặt ra một giới hạn quan trọng. Khi lượng chất quá thấp so với khả năng phân biệt tín hiệu với nhiễu nền, phòng thí nghiệm không thể đưa ra một giá trị định lượng đáng tin cậy chỉ bằng cách kéo dài số chữ số của kết quả. Vì thế các khái niệm như giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng giúp xác định khoảng mà phương pháp có thể phát hiện hoặc định lượng chất với mức tin cậy phù hợp.

Một kết quả dạng “không phát hiện” do đó không nhất thiết có nghĩa là chất hoàn toàn không tồn tại. Nó có thể có nghĩa rằng chất không được phát hiện trên giới hạn phát hiện của phương pháp trong điều kiện phân tích đó. Đây là khác biệt quan trọng khi diễn giải dữ liệu môi trường.

Đặc tính của mẫu không chỉ được thể hiện bằng nồng độ từng chất

Không phải mọi thông tin môi trường đều được mô tả bằng nồng độ của một hợp chất cụ thể. Nhiều chỉ tiêu phản ánh tính chất tổng hợp của mẫu và giúp hiểu trạng thái của môi trường.

pH thể hiện tính axit hoặc kiềm. Độ dẫn điện phản ánh khả năng dẫn dòng điện của dung dịch và có quan hệ với lượng ion hòa tan. Độ đục liên quan đến khả năng ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt trong nước. Hàm lượng chất rắn cung cấp thông tin về phần vật chất tồn tại dưới dạng hòa tan hoặc lơ lửng tùy phương pháp đo.

Một số chỉ tiêu khác phản ánh tác động tổng hợp của nhiều thành phần. Chẳng hạn, nhu cầu oxy hóa học không nhằm xác định tên từng hợp chất hữu cơ mà biểu thị lượng chất có khả năng bị oxy hóa theo điều kiện của phương pháp. Vì vậy, hai mẫu có thể có giá trị của một chỉ tiêu tổng hợp tương tự nhưng thành phần hóa học chi tiết vẫn khác nhau.

Đặc tính của đất cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố cùng lúc, chẳng hạn pH, thành phần hạt, độ ẩm và hàm lượng chất hữu cơ. Những yếu tố này còn có thể thay đổi khả năng giữ, hòa tan hoặc giải phóng chất ô nhiễm. Một nồng độ tổng cao vì thế chưa cho biết toàn bộ khả năng chất đó di chuyển hoặc trở nên sẵn có trong môi trường.

Phân tích môi trường cần phân biệt rõ đại lượng được đo trực tiếp với kết luận được suy ra từ đại lượng đó. Máy đo có thể tạo ra dữ liệu về pH, nồng độ hoặc cường độ tín hiệu; việc kết luận mẫu có bất thường hay đáp ứng yêu cầu nào còn phụ thuộc vào mục tiêu đánh giá và tiêu chí tham chiếu thích hợp.

Lấy mẫu và bảo quản có thể quyết định độ tin cậy của kết quả

Một thiết bị phân tích rất chính xác vẫn không thể sửa được một mẫu không đại diện cho môi trường cần khảo sát. Sai số có thể xuất hiện trước khi mẫu được đưa vào máy.

Vị trí lấy mẫu, thời điểm, độ sâu, thể tích mẫu và cách lấy đều có thể ảnh hưởng đến thành phần thu được. ISO 5667-1:2023 vì vậy đưa ra các nguyên tắc về thiết kế chương trình lấy mẫu và kỹ thuật lấy mẫu nước, bao gồm nước thải, bùn, dòng thải, chất rắn lơ lửng và trầm tích.

Sau khi lấy, thành phần mẫu vẫn có thể thay đổi. Chất dễ bay hơi có thể thất thoát; kim loại có thể hấp phụ lên thành bình; vi sinh vật có thể tiếp tục hoạt động; phản ứng oxy hóa, khử hoặc phân hủy có thể làm thay đổi chất cần phân tích. Do đó, loại vật chứa, nhiệt độ, chất bảo quản và khoảng thời gian trước khi phân tích phải phù hợp với từng phép thử.

Trong phòng thí nghiệm, mẫu còn có thể được lọc, nghiền, đồng nhất, phá mẫu, chiết hoặc pha loãng. Mỗi thao tác đều xác định phần nào của mẫu thực sự được đưa vào phép đo. Ví dụ, phân tích kim loại hòa tan và phân tích tổng kim loại không nhất thiết cho cùng ý nghĩa vì quy trình chuẩn bị mẫu khác nhau.

Đây cũng là lý do hai kết quả chỉ nên được so sánh trực tiếp khi đối tượng mẫu, phương pháp lấy mẫu, cách chuẩn bị, phương pháp phân tích và đơn vị biểu thị tương thích. Chênh lệch giữa hai con số không tự động chứng minh môi trường đã thay đổi nếu điều kiện tạo ra hai kết quả không tương đương.

Kiểm soát chất lượng cho biết con số đo được có đáng tin cậy hay không

Phân tích không kết thúc khi thiết bị xuất ra một giá trị. Phòng thí nghiệm còn phải chứng minh rằng quá trình đo hoạt động trong điều kiện kiểm soát.

Mẫu trắng giúp phát hiện nhiễm bẩn từ hóa chất, dụng cụ hoặc quá trình chuẩn bị. Mẫu lặp cho biết mức độ tái lập của phép thử. Mẫu thêm chuẩn có thể kiểm tra khả năng thu hồi chất cần phân tích trong chính nền mẫu. Chất chuẩn và kiểm tra hiệu chuẩn giúp xác nhận hệ thống đo vẫn đáp ứng đúng trong suốt quá trình phân tích.

Những kiểm soát này giải quyết các nguồn sai lệch khác nhau. Một đường hiệu chuẩn phù hợp không loại trừ khả năng mẫu bị nhiễm bẩn khi chuẩn bị; mẫu trắng sạch cũng không chứng minh phép đo có độ lặp tốt. Vì vậy, độ tin cậy phải được đánh giá từ nhiều thành phần của hệ thống chất lượng chứ không từ một chỉ số đơn lẻ.

ISO/IEC 17025:2017 đặt ra các yêu cầu về năng lực, tính khách quan và hoạt động nhất quán của phòng thử nghiệm và hiệu chuẩn; tiêu chuẩn này được sử dụng làm cơ sở đánh giá năng lực phòng thí nghiệm và độ tin cậy của kết quả thử nghiệm.

Điều đó không có nghĩa mọi kết quả từ phòng thí nghiệm đều có cùng độ chính xác. Độ không đảm bảo, khoảng làm việc, độ nhạy và các đặc tính hiệu năng phụ thuộc vào chỉ tiêu, phương pháp, thiết bị và nền mẫu. Khi quyết định dựa trên một kết quả gần ngưỡng quan trọng, các yếu tố này càng cần được xem xét.

Kết quả phân tích chỉ có ý nghĩa khi được đọc cùng phương pháp, đơn vị và ngưỡng áp dụng

Một con số riêng lẻ chưa đủ để kết luận chất lượng môi trường. Trước tiên phải xác định chỉ tiêu gì được đo, trên loại mẫu nào, bằng phương pháp nào và với đơn vị nào.

Ví dụ, mg/L thường được dùng cho nhiều chỉ tiêu trong nước, trong khi mg/kg có thể được dùng cho đất hoặc chất rắn. Chuyển một giá trị từ nền mẫu này sang nền mẫu khác mà không xét cách biểu thị có thể dẫn đến kết luận sai. Tương tự, kết quả trên cơ sở khối lượng khô và kết quả trên mẫu ướt không nên được xem là tương đương nếu chưa hiệu chỉnh thích hợp.

Bước tiếp theo mới là đối chiếu kết quả với tiêu chí có liên quan. Tùy mục tiêu, tiêu chí đó có thể là quy chuẩn môi trường, giới hạn kỹ thuật, giá trị nền, dữ liệu quan trắc trước đó hoặc tiêu chuẩn của chương trình kiểm soát cụ thể. Không tồn tại một ngưỡng chung có thể áp dụng cho mọi chỉ tiêu và mọi loại mẫu.

Cũng cần phân biệt phát hiện chất với xác định mức độ đáng lo ngại. Việc một chất được phát hiện chứng minh rằng phương pháp tìm thấy chất đó ở mức đo được; nó chưa tự động chứng minh mẫu vượt quy chuẩn hoặc gây tác động ở mức cụ thể. Muốn đưa ra kết luận như vậy phải có tiêu chí so sánh phù hợp với loại môi trường, mục đích sử dụng và bối cảnh đánh giá.

Ngược lại, một kết quả nằm dưới giới hạn định lượng không nên được diễn giải như giá trị bằng không. Báo cáo đầy đủ cần cho người đọc biết giới hạn của phương pháp để tránh tạo độ chính xác giả cho dữ liệu.

Phân tích môi trường về bản chất là quá trình chuyển một mẫu môi trường thành thông tin có thể kiểm chứng. Thành phần được xác định nhờ tín hiệu đặc trưng của các chất hoặc nhóm chỉ tiêu; nồng độ được suy ra từ quan hệ giữa tín hiệu và chuẩn đã biết; còn các đặc tính như pH, độ dẫn điện, độ đục hay các chỉ tiêu tổng hợp mô tả những khía cạnh khác của mẫu. Giá trị của kết quả phụ thuộc không chỉ vào thiết bị mà còn vào lấy mẫu, bảo quản, chuẩn bị mẫu, hiệu chuẩn và kiểm soát chất lượng. Vì vậy, muốn hiểu đúng một phiếu phân tích cần đọc đồng thời kết quả, đơn vị, phương pháp, giới hạn đo và tiêu chí dùng để đánh giá.