Arsenic là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về Arsenic

Arsenic (As) là một nguyên tố bán kim loại nằm trong nhóm 15 của bảng tuần hoàn, mang số nguyên tử Z = 33. Trong tự nhiên, arsenic tồn tại dưới dạng khoáng vật và hợp chất, đóng vai trò quan trọng cả về mặt hóa học lẫn môi trường.

Về mặt hóa học, arsenic thể hiện tính chất trung gian giữa kim loại và phi kim: nó có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt nhất định, nhưng đồng thời cũng dễ tạo liên kết cộng hóa trị với các nguyên tố phi kim khác. Điều này giúp arsenic có mặt trong nhiều ứng dụng công nghiệp và y tế, cũng như là đối tượng cần theo dõi nghiêm ngặt do tính độc tính cao.

• Ký hiệu nguyên tố: As
• Số nguyên tử: 33
• Khối lượng nguyên tử: 74.92 u

Lịch sử và các dạng tồn tại

Arsenic đã được con người biết đến từ thời cổ đại, khi các kim loại thạch tín (arsenical) được dùng làm thuốc nhuộm và mỹ phẩm. Thợ rèn thời La Mã cũng dùng arsenic để tẩy trắng da và tăng độ bóng cho bạc.

Về dạng thù hình (allotrope), arsenic tồn tại chính dưới ba dạng:

• Arsenic xám: dạng bán kim loại, có cấu trúc lớp, tính dẫn điện trung bình.
• Arsenic vàng: dạng kim loại hiếm gặp, dễ nóng chảy, tính dẻo cao.
• Arsenic đen: dạng phi kim, bột mịn, rất ít gặp trong tự nhiên.

Các trạng thái oxy hóa chính trong hợp chất arsenic gồm:

• $\mathrm{As^{3+}}$ (As(III)), thường gặp trong arsenite.
• $\mathrm{As^{5+}}$ (As(V)), tồn tại chủ yếu ở dạng arsenate.

Tính chất hóa học và vật lý

Về tính chất vật lý, arsenic xám có nhiệt độ nóng chảy khoảng 817 °C và nhiệt độ sôi trên 615 °C ở áp suất thường. Khối lượng riêng của dạng xám vào khoảng 5.73 g/cm³, cho thấy mức độ dày đặc cao hơn kim loại nhẹ nhưng thấp hơn kim loại nặng như chì.

Về tính chất hóa học, arsenic thể hiện tính lưỡng ngành: nó phản ứng với các axit mạnh và bazơ, đồng thời có khả năng bị oxy hóa hoặc khử tùy điều kiện môi trường. Một số phản ứng điển hình bao gồm:

• Phản ứng với axit nitric: tạo ra arsenic pentoxide và khí NO.
• Phản ứng với bazơ mạnh: tạo thành muối arsenite hoặc arsenate.

Các công thức thường gặp:

• $H_3AsO_3$ (axit arsenious)
• $HAsO_4^{2-}$ (ion arsenate)

Nguồn phát sinh và phân bố tự nhiên

Arsenic có nguồn gốc chủ yếu từ hoạt động địa chất như phun trào dung nham, quá trình khoáng hóa trong vỏ Trái Đất. Các khoáng vật phổ biến chứa arsenic gồm realgar (As₄S₄) và orpiment (As₂S₃).

Hoạt động nhân tạo cũng đóng góp một phần lớn vào ô nhiễm arsenic, bao gồm:

• Khai thác và chế biến quặng arsenic.
• Sản xuất chất bán dẫn và hợp kim.
• Sử dụng thuốc trừ sâu chứa arsenic trong nông nghiệp.

Cơ chế độc tính và tác động sinh học

Arsenic hấp thụ vào cơ thể chủ yếu qua đường tiêu hóa, hô hấp và qua da. Khi ingested, arsenic tồn tại ba trạng thái hóa học chính là arsenite (As(III)), arsenate (As(V)) và các hợp chất hữu cơ methyl hóa. Trong đó, As(III) có tính độc mạnh hơn As(V) do khả năng liên kết bền vững với nhóm thiol của protein và enzyme nội bào.

Sau khi vào máu, arsenic tập trung chủ yếu ở gan và thận, nơi diễn ra quá trình methyl hóa qua hai bước chính, tạo ra mono- và dimethylarsenate (MMA, DMA). Quá trình này tuy giúp thải trừ arsenic qua nước tiểu nhưng bản thân MMA và DMA vẫn giữ độc tính đáng kể, có thể gây tổn thương DNA và stress oxy hóa.

• As(III) ức chế enzym quan trọng trong hô hấp tế bào, làm giảm tổng hợp ATP.
• As(V) cạnh tranh với phosphate trong tạo thành ATP, dẫn đến thiếu năng lượng nội bào.
• MMA/DMA gây đứt gãy chuỗi DNA và kích hoạt quá trình apoptosis không điều hòa.

Triệu chứng cấp tính của ngộ độc arsenic bao gồm buồn nôn, nôn mửa, đau bụng quặn thắt, tiêu chảy nặng và sốc mất nước. Ở mức phơi nhiễm mãn tính, người bệnh thường gặp các biểu hiện da như tăng sừng, tăng sắc tố, cùng với nguy cơ cao mắc ung thư da, phổi, bàng quang và tác động đến hệ thần kinh trung ương, tim mạch.

Tiêu chuẩn và giới hạn phơi nhiễm

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), giới hạn tối đa arsenic trong nước uống là 10 µg/L để bảo vệ sức khỏe cộng đồng trên toàn cầu (WHO Arsenic Fact Sheet). Con số này được thiết lập dựa trên nghiên cứu dịch tễ học liên quan đến ung thư và các bệnh mạn tính.

Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) cũng áp dụng tiêu chuẩn tương tự là 10 µg/L cho nước sinh hoạt, đồng thời quy định mức phơi nhiễm nghề nghiệp (PEL) do OSHA ban hành là 0.01 mg/m³ trung bình 8 giờ (OSHA Arsenic Data).

Tại nhiều quốc gia khác, giới hạn arsenic trong nước uống dao động từ 5–50 µg/L tùy vào điều kiện kinh tế và nguồn nước. Việc kiểm soát nghiêm ngặt các tiêu chuẩn này là biện pháp quan trọng để giảm thiểu nguy cơ sức khỏe do arsenic gây ra.

Phương pháp phát hiện và phân tích

Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và sắc ký khối ICP-MS là hai kỹ thuật chủ đạo trong xác định nồng độ arsenic trong mẫu nước, đất, thực phẩm và mẫu sinh học. AAS cung cấp độ nhạy tốt với nền mẫu đơn giản, trong khi ICP-MS cho phép phân tích đa nguyên tố với giới hạn phát hiện rất thấp (ngưỡng ppt).

Các phương pháp bán định lượng như dụng cụ sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) kết hợp với AAS hoặc ICP-MS còn giúp tách và định lượng các dạng arsenic khác nhau (inorganic As(III), As(V), MMA, DMA). Chuẩn bị mẫu đòi hỏi bước tiền xử lý bằng oxy hóa–khử để chuyển hóa arsenic hữu cơ và vô cơ về dạng dễ phân tích.

• AAS: độ nhạy µg/L, kỹ thuật đơn giản, chi phí thấp.
• ICP-MS: độ nhạy ppt, khả năng đa phân tích nhiều nguyên tố.
• HPLC-AAS/ICP-MS: phân tách các dạng hóa học arsenic.

Ngoài ra, các cảm biến nano kim loại kết hợp màng tuyển chọn (molecularly imprinted polymers) đang được nghiên cứu để phát hiện arsenic nhanh và trực tiếp tại hiện trường, giảm nhu cầu trang thiết bị phòng thí nghiệm chuyên sâu.

Quản lý và xử lý ô nhiễm Arsenic

Công nghệ khử arsenic trong nước uống phổ biến là keo tụ–lọc, hấp phụ bằng than hoạt tính hoặc cationic polymer. Keo tụ–lọc thường dùng phèn nhôm hoặc sắt để tạo bông keo kết tủa arsenate, hiệu suất khử có thể đạt trên 90%.

Thẩm thấu ngược (RO) và trao đổi ion (ion exchange) cũng được áp dụng quy mô công nghiệp và gia đình. RO loại bỏ gần như toàn bộ arsenic nhưng chi phí vận hành cao và sản sinh lượng nước thải lớn. Trao đổi ion sử dụng nhựa trao đổi anion đặc biệt để hấp phụ arsenate, sau đó tái sinh bằng dung dịch NaCl.

Bioremediation với vi khuẩn như Thiomonas sp. và Pseudomonas sp. có khả năng oxy hóa As(III) thành As(V) ít độc hơn, hỗ trợ trong quá trình xử lý sinh học kết hợp. Chính sách quản lý cần bao gồm giám sát chất lượng nước liên tục, đánh giá rủi ro và lập quy định xả thải nghiêm ngặt.

Ứng dụng công nghiệp và y tế

Trong công nghiệp, arsenic dùng để sản xuất hợp kim (arsenic–thủy ngân trong nhiệt kế thủy ngân không thủy ngân), chất bán dẫn (GaAs) và kính đặc biệt chịu nhiệt. Ngoài ra, arsenic còn ứng dụng trong sản xuất thuốc trừ sâu, mặc dù nhiều quốc gia đã hạn chế hoặc cấm do nguy cơ nhiễm độc.

Y tế sử dụng arsenic trioxide (As₂O₃) trong điều trị ung thư bạch cầu promyelocytic cấp tính (APL). Liều điều trị được giám sát chặt chẽ để cân bằng hiệu quả điều trị và độc tính. Nghiên cứu lâm sàng cho thấy arsenic trioxide cải thiện tỉ lệ sống thêm không bệnh trong APL lên trên 80%.

• Hợp kim GaAs: chất bán dẫn trong laser và linh kiện điện tử.
• Arsenic trioxide: điều trị APL, cơ chế kích hoạt apoptosis tế bào tân sinh.
• Ứng dụng trong điều chế vắc-xin: dạng vi nhũ tương nhờ tác dụng kích thích miễn dịch.

An toàn lao động khi sản xuất và sử dụng arsenic yêu cầu kiểm soát nồng độ không khí, bảo hộ cá nhân và quy trình xử lý chất thải chuyên biệt.

Xu hướng nghiên cứu và giải pháp tương lai

Cải tiến công nghệ khử arsenic quy mô lớn bao gồm vật liệu nano composite gốc sắt oxit phủ graphene, cho hiệu suất hấp phụ cao và khả năng tái sinh nhiều lần. Các nghiên cứu tiền lâm sàng đang thử nghiệm kết hợp vật liệu quang xúc tác để oxy hóa As(III) ngay trong quá trình hấp phụ.

Phát triển cảm biến nano in situ với màng tuyển chọn đặc hiệu cho arsenic giúp giám sát liên tục nồng độ tại các giếng nước ngầm và hệ thống lọc. Cảm biến này cho phép cảnh báo sớm và giảm thiểu phơi nhiễm trước khi arsenic vượt mức an toàn.

• Nano composite sắt–graphene: hấp phụ, tái sinh hiệu quả.
• Cảm biến quang học in situ: phát hiện nhanh, độ nhạy cao.
• Nghiên cứu cơ chế methyl hóa: giảm độc tính qua can thiệp enzym sinh học.

Nghiên cứu sâu về cơ chế phân tử của độc tính arsenic, kết hợp công nghệ omics (genomics, proteomics, metabolomics), sẽ mở đường cho phương pháp điều trị giảm độc hoặc giải độc tiên tiến dựa trên phương pháp y học cá thể hóa.

Tài liệu tham khảo

1. World Health Organization. “Arsenic.” WHO Fact Sheet. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/arsenic
2. U.S. Environmental Protection Agency. “Arsenic in Drinking Water.” https://www.epa.gov/arsenic
3. Agency for Toxic Substances and Disease Registry. “Toxicological Profile for Arsenic.” https://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp2.html
4. PubChem. “Arsenic.” https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Arsenic
5. Occupational Safety and Health Administration. “Arsenic.” https://www.osha.gov/chemicaldata/arsenic