Nghiên cứu sự thôi nhiễm kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ bao bì nhựa có tiếp xúc với thực phẩm

TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu sự thôi nhiễm kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ bao bì nhựa có tiếp xúc với thực phẩm NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu sự thôi nhiễm của kim loạ

Công trình được hoàn thành tại Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm TP HCM Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Trọng và TS Nguyễn Quốc Hùng Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 11 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 GS.TS Lê Văn Tán - Chủ tịch Hội đồng

2 PGS.TS Nguyễn Ngọc Tuấn - Phản biện 1

3 TS Lê Ngọc Tứ - Phản biện 2

4 TS Nguyễn Quốc Thắng - Ủy viên

5 PGS.TS Trần Nguyễn Minh Ân - Thư ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trương Thị Trúc Linh MSHV: 20000471

Ngày, tháng, năm sinh: 07/05/1993 Nơi sinh: Bình Phước

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu sự thôi nhiễm kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ bao bì nhựa có tiếp xúc với thực phẩm

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu sự thôi nhiễm của kim loại nặng trong bao bì nhựa có tiếp xúc với thực phẩm bằng phương pháp ICP-MS

Nghiên cứu thành phần các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong bao bì nhựa có tiếp xúc với thực phẩm bằng phương pháp TD-GC/MS và thẩm định phương pháp xác định hàm lượng tổng chất bay hơi (toluene, styrene, ethylbenzene, isopropyl-benzene, n-propylbenzene) trong nhựa PS bằng phương pháp GC-MS

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 928/QĐ-ĐHCN ngày 20/04/2022

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Theo đơn bảo vệ

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Văn Trọng và TS Nguyễn Quốc Hùng

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …

NGƯỜI HƯỚNG DẪN 2

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp và hoàn thành tốt các mục tiêu đã đặt ra, ngoài

sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ thầy cô, gia đình và

bạn bè

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Văn Trọng đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn Tôi đã học được nhiều điều ở thầy cả về kiến thức, kinh nghiệm và suy luận trong nghiên cứu khoa học cũng như trong cuộc sống

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tập thể quý thầy cô thuộc Khoa Công nghệ Hóa học, đặc biệt là các giảng viên của bộ môn Hóa phân tích đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian qua

Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí nghiệm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi có được môi trường tốt nhất

để thực hiện đề tài này, đặc biệt là TS.Nguyễn Quốc Hùng đã giúp đỡ tôi trong quá

trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022

Học viên thực hiện

Trương Thị Trúc Linh

TÓM TẮT

Bao bì thực phẩm là phương thức chính để lưu trữ, vận chuyển và bảo vệ thực phẩm khỏi các yếu tố bên ngoài Tuy nhiên, bao bì làm từ vật liệu nhựa hoặc nhựa tái chế

có thể là nguồn ô nhiễm các hóa chất độc hại như kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ

dễ bay hơi vào trong thực phẩm Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành thẩm định phương pháp phân tích 8 kim loại nặng trong dung dịch acid acetic (AA) 4% bằng phương pháp ICP-MS với giới hạn phát hiện (MDL) từ 0,016 – 0,75 μg/L, giới hạn định lượng (MQL) 3,0 μg/L, hiệu suất thu hồi đạt từ 82,36 – 109,7%, độ lặp lại (RSDr) từ 2,03 – 9,23%, độ tái lập (RSDR) từ 2,68 – 7,16% Áp dụng phương pháp

đã thẩm định để nghiên cứu sự thôi nhiễm kim loại nặng từ nhựa vào trong dung dịch

AA 4% Đồng thời, chúng tôi tiến hành nghiên cứu các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) tồn dư trong 3 nền mẫu nhựa PE, PA, PS bằng phương pháp giải hấp nhiệt ghép sắc ký khí khối phổ (TD–GC/MS); Thẩm định phương pháp xác định hàm lượng tổng chất bay hơi (toluene, styrene, ethylbenzene, isopropyl-benzene, n-propylbenzene) trong nhựa PS theo QCVN bằng phương pháp GC-MS với MDL từ 2,07 – 2,50 mg/kg, MQL 50 mg/kg, hiệu suất thu hồi đạt từ 90,25 – 106,67%, RSDr

từ 1,90 – 3,61 %, RSDR từ 2,39 – 4,43% Áp dụng phương pháp đã thẩm định để khảo sát tổng chất bay hơi tồn dư trong 30 mẫu nhựa PS Kết quả đạt được với hàm lượng styrene và ethylbenzene trong khoảng từ 176 – 1120 mg/kg Trong khi đó, các hợp chất toluene, isopropylbenzene, n-propylbenzene là không phát hiện hoặc dưới ngưỡng định lượng của phương pháp Tổng VOCs trong mẫu PS được suy ra từ hàm lượng styrene (styrene như một nội chuẩn), kết quả cho thấy hàm lượng VOCs nằm trong khoảng 559 – 1179 mg/kg

ABSTRACT

Food packaging is the main way of storing, transporting and protecting food products

by external factors However, packaging made from plastic or recycled plastic materials can be a source of harmful chemicals such as heavy metals and volatile organic compounds that get into food In this study, we have validated method for analysis of 8 heavy metals in 4% acetic acid (AA) simulant by ICP-MS, with method detection limit (MDL) from 0.016 to 0.75 μg/L, method quantitation limit (MQL) 3.0 μg/L, recovery efficiency from 82.36 to 109.7%, repeatability (RSDr) from 2.03 to 9.23%, reproducibility established (RSDR) from 2.68 to 7.16% Apply the method to study the exhaustive heavy metal migration from plastic into 4% AA simulant At the same time, we research on volatile organic compounds (VOCs) residues in 3 plastic samples PE, PA, PS by means of thermal desorption coupled to gas chromatography mass spectrometry (TD–GC/MS); validated method to determine the total volatile matter content (toluene, styrene, ethylbenzene, isopropylbenzene, n-propylbenzene)

in PS resin according to QCVN by GC-MS with MDL in the range of 2.07 - 2.50 mg/kg, MQL 50 mg/kg, recovery efficiency was from 90.25 to 106.67%, RSDr from 1.90 to 3.61%, RSDR from 2.39 to 4.43% Applying the method to investigate the total volatile matter residue in 30 samples of PS resin, the obtained results of styrene and ethylbenzene content were in the range of 176 - 1120 mg/kg Meanwhile, toluene, isopropylbenzene, and n-propylbenzene compounds were not detected or lower than method quantitation limit Total VOCs in the PS sample were deduced from the styrene content (styrene as an internal standard), the result showed that the total VOCs content was in the range of 559 – 1179 mg/kg

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Trương Thị Trúc Linh, học viên cao học ngành Hóa Phân tích, lớp

CHHOPT10A, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh

Tôi cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là công trình của riêng tôi và giảng viên hướng dẫn của tôi TS Nguyễn Văn Trọng (Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh) và TS Nguyễn Quốc Hùng (Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm TP Hồ Chí Minh) Những kết quả nghiên cứu của các tác giả khác được sử dụng trong luận văn đều có trích dẫn đầy đủ

Học viên thực hiện luận văn

Trương Thị Trúc Linh

MỤC LỤC

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

Tổng quan về bao bì chứa đựng thực phẩm 4

Bao bì nhựa 4

Kim loại nặng 5

Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi 7

Sơ lược về một số VOCs có trong nhựa PS 8

Đánh giá chất lượng bao bì nhựa chứa đựng thực phẩm 10

Tổng quan về các công trình nghiên cứu 11

Khảo sát hàm lượng kim loại nặng trong giấy bao bì thực phẩm 11

Xác định hàm lượng kim loại nặng trong một số loại túi nhựa 12

Khảo sát sự thôi nhiễm kim loại nặng trong vật liệu tiếp xúc với thực phẩm tại Romania 13

Khảo sát sự thôi nhiễm các chất hữu cơ dễ bay hơi trong thực phẩm đóng gói

14

Xác định các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong màng bọc phô mai bằng HS-SPME – GC/MS 14

Xác định các hợp chất dễ bay hơi trong túi nhựa PE 15

Tổng quan về các kỹ thuật sử dụng 15

Kỹ thuật quang phổ plasma cảm ứng cao tần ghép khối phổ (ICP-MS) 15

Kỹ thuật sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) kết hợp giải hấp nhiệt (TD) 17

Kỹ thuật quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 22

Các tiêu chí đánh giá trong thẩm định phương pháp 22

Độ chọn lọc 23

Khoảng tuyến tính và đường chuẩn 23

Giới hạn phát hiện của phương pháp (MDL) 24

Giới hạn định lượng của phương pháp (MQL) 25

Độ chụm và độ đúng 26

Độ không đảm bảo đo 28

Thiết bị và dụng cụ 29

Thiết bị 29

Dụng cụ 31

Thuốc thử và vật liệu 31

Khảo sát kim loại nặng 31

Khảo sát VOCs 32

Chuẩn bị hóa chất, chất chuẩn 32

Khảo sát kim loại nặng 32

Khảo sát VOCs 34

Nội dung thực nghiệm 35

Định danh các mẫu nhựa khảo sát 35

Nghiên cứu sự thôi nhiễm KLN trong mẫu bao bì nhựa bằng ICP-MS 36

Nghiên cứu thành phần các VOCs trong mẫu bao bì nhựa 38

Các thông số thẩm định phương pháp 40

Định danh các mẫu nhựa khảo sát 43

Nghiên cứu sự thôi nhiễm KLN trong mẫu bao bì nhựa bằng ICP-MS 44

Khảo sát điều kiện phân tích trên thiết bị ICP-MS 44

Thẩm định phương pháp thôi nhiễm KLN trong dung dịch ngâm thôi nhiễm AA 4% 48

Khảo sát hàm lượng KLN trên các nền mẫu nhựa 53

Nghiên cứu thành phần các VOCs trong mẫu bao bì nhựa 57

Khảo sát thành phần các VOCs trong nền mẫu nhựa PE, PA, PS bằng phương pháp TD – GC/MS 57

Thẩm định phương pháp xác định tổng chất bay hơi trong nhựa PS theo quy định của QCVN 12-1:2011/BYT bằng phương pháp GC-MS 69

Khảo sát hàm lượng tổng chất bay hơi trên một số mẫu PS thường dùng 75

1 Kết luận 80

2 Kiến nghị 81

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bao bì nhựa tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm 4

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của Styrene 8

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của Toluene 8

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của Ethylbenzene 9

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của Isopropylbenzene 9

Hình 1.6 Công thức cấu tạo của n-Propylbenzene 10

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo thiết bị ICP-MS iCAP RQ Thermo Scientific 16

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống sắc ký khí 18

Hình 1.9 Sơ đồ phân tích giải hấp nhiệt 21

Hình 2.1 Máy quang phổ Nicolet iS50 FTIR Thermo Scientific 29

Hình 2.2 Hệ thống ICP-MS iCAP RQ Thermo Scientific 29

Hình 2.3 Hệ thống TD100-xr (Markes)– GC/MS ISQ 7000 (Thermo Scientific) 30

Hình 3.1 Phổ FTIR của mẫu M4 và chuẩn Polyamide 44

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu đo theo thời gian hút mẫu 46

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ ổn định theo thời gian hút mẫu 46

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu nền theo thời gian rửa mẫu 47

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn kết quả hàm lượng khảo sát các kim loại Co, Ge, As, Cd, Sb, Pb lớn nhất ở ba nền nhựa 55

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn kết quả hàm lượng khảo sát kim loại Al và Zn lớn nhất ở ba nền nhựa 56

Hình 3.7 Sắc ký đồ của mẫu M1, M2 và M3 57

Hình 3.8 Sắc ký đồ của mẫu M4, M5 và M6 61

Hình 3.9 Phản ứng trùng hợp PA từ caprolactam 63

Hình 3.10 Sắc ký đồ của mẫu M7, M8 và M9 64

Hình 3.11 Sắc ký đồ chuẩn hỗn hợp 5 chất nồng độ 4,0 mg/L 70

Hình 3.12 Kết quả tổng styrene và ethylbenzene trong 30 mẫu nhựa PS 75

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Mục đích sử dụng của các kim loại trong các sản phẩm nhựa và ảnh hưởng

của chúng đối với sức khỏe con người 6

Bảng 1.2 Hàm lượng một số VOCs tồn dư tối đa cho phép trong các loại nhựa 7

Bảng 1.3 Kết quả hàm lượng KLN 12

Bảng 1.4 Nguyên tắc của thư viện NIST 20

Bảng 1.5 Hiệu suất thu hồi tối đa tại các nồng độ khác nhau (theo AOAC) 27

Bảng 1.6 Độ lặp lại tối đa tại các nồng độ khác nhau (theo AOAC) 27

Bảng 2.1 Cách chuẩn bị các dung dịch chuẩn làm việc của 8 nguyên tố 33

Bảng 2.2 Cách chuẩn bị chuẩn gốc hỗn hợp tổng chất bay hơi 34

Bảng 2.3 Cách chuẩn bị các dung dịch chuẩn làm việc tổng chất bay hơi 34

Bảng 2.4 Danh sách mẫu nhựa khảo sát 35

Bảng 2.5 Cách chuẩn bị các mẫu thêm chuẩn đo KLN 37

Bảng 2.6 Thông số cài đặt hệ TD-GC/MS 38

Bảng 2.7 Cách chuẩn bị các mẫu thêm chuẩn đo tổng chất bay hơi PS 39

Bảng 2.8 Cài đặt số khối và loại bỏ nhiễu nền trên đầu dò ICP-MS 40

Bảng 2.9 Khoảng biến thiên cho phép của tỷ lệ cường độ giữa ion định tính và ion định lượng theo SANCO/12495/2011 41

Bảng 3.1 Kết quả định danh 9 mẫu nhựa 43

Bảng 3.2 Tối ưu các thông số cơ bản 44

Bảng 3.3 Kết quả kiểm tra đầu dò ICP-MS 45

Bảng 3.4 Kết quả khảo sát thời gian hút mẫu 45

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát thời gian rửa mẫu 47

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát độ chọn lọc nguyên tố Al 48

Bảng 3.7 Phương trình hồi quy và hệ số xác định của từng nguyên tố 49

Bảng 3.8 Kết quả khảo sát MDL nguyên tố Al 50

Bảng 3.9 Tổng hợp kết quả khảo sát MQL của 8 nguyên tố 51

Bảng 3.10 Tổng hợp kết quả khảo sát hiệu suất thu hồi, độ lặp lại, độ tái lập của 8 nguyên tố 52

Bảng 3.11 Tổng hợp kết quả ước lượng độ không đảm bảo đo 52

Bảng 3.12 Kết quả phân tích mẫu nhựa PE 53

Bảng 3.13 Kết quả phân tích mẫu nhựa PA 53

Bảng 3.14 Kết quả phân tích mẫu nhựa PS 54

Bảng 3.15 Tổng hợp kết quả phân tích kim loại trên các nền mẫu và thôi nhiễm trong AA 4% 54

Bảng 3.16 Kết quả thành phần các VOCs trong nhựa PE 57

Bảng 3.17 Kết quả thành phần các VOCs trong nhựa PA 61

Bảng 3.18 Khảo sát thành phần các VOCs trong mẫu PS 64

Bảng 3.19 Điều kiện phân tích GC-MS 69

Bảng 3.20 Tiêu chí độ chọn lọc của từng chất phân tích 70

Bảng 3.21 Phương trình hồi quy và hệ số xác định của từng hợp chất 71

Bảng 3.22 Giới hạn phát hiện của các chất phân tích 72

Bảng 3.23 Kết quả khảo sát giới hạn định lượng ở nồng độ 50 mg/kg 72

Bảng 3.24 Tổng hợp kết quả khảo sát hiệu suất thu hồi, độ lặp lại, độ tái lập 74

Bảng 3.25 Độ không đảm bảo đo từng hợp chất phân tích 74

Bảng 3.26 Kết quả VOCs tính theo hàm lượng styrene mẫu M7 76

Bảng 3.27 Kết quả VOCs tính theo hàm lượng styrene mẫu M8 77

Bảng 3.28 Kết quả VOCs tính theo hàm lượng styrene mẫu M9 78

EU European Union - Liên minh châu Âu

FDA Food and Drug Administration - Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm

Hoa Kỳ

FTIR Fourier Transform Infrared spectroscopy - Quang phổ hồng ngoại biến

đổi Fourier

GC-MS Gas Chromatography-Mass Spectroscopy – Sắc ký khí ghép khối phổ

H % Hiệu suất thu hồi

IARC International Agency for Research on Cance - Cơ quan Nghiên cứu Ung

LDPE Low Density Polyethylene - Polyethylene tỷ trọng thấp

MDL Method Detection Limit - Giới hạn phát hiện của phương pháp

MQL Method Quantitation Limit - Giới hạn định lượng của phương pháp

MRL Maximum Residue Limit - Giới hạn dư lượng tối đa cho phép

NIST National Institute of Standards and Technology – Viện Tiêu chuẩn và

Công nghệ Quốc gia

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

RSD Relative Standard Deviation - Độ lệch chuẩn tương đối

SD Standard Deviation - Độ lệch chuẩn

SPME Solid-Phase Microextraction - Phương pháp vi chiết pha rắn

TD Thermo desorption - Giải hấp nhiệt

US EPA United States Environmental Protection Agency - Cơ quan Bảo vệ Môi

trường Hoa Kỳ

VOCs Volatile organic compounds - Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

WWF World Wide Fund For Nature -Tổ chức Quốc tế về Bảo tồn Thiên nhiên

1,2-DEB 1,2-Diethylbenzene

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Bao bì nhựa là sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp

và tiêu dùng của xã hội Đặc biệt, đối với thực phẩm bao bì nhựa có một vai trò hết sức quan trọng Chức năng cơ bản và quan trọng nhất của bao bì là đóng gói và bảo quản thực phẩm, giúp cho sản phẩm bên trong được an toàn, không bị vỡ, hư hỏng, biến chất và tránh được những ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài Bên cạnh đó, bao bì nhựa còn giúp cho người tiêu dùng dễ dàng nhận biết các thông tin về thương hiệu, hình ảnh, chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm

Tuy nhiên, việc sử dụng bao bì được sản xuất từ nhựa tái sinh, nguyên liệu kém chất lượng, công nghệ sản xuất nhựa lạc hậu có khả năng dẫn đến thôi nhiễm các hóa chất độc hại từ bao bì vào thực phẩm chứa bên trong Do trong quá trình sản xuất loại bao

bì này có sử dụng nhiệt để gia công, các phụ gia hóa dẻo, chất ổn định nhiệt, chất bôi trơn… Các hóa chất độc hại thôi nhiễm vào thực phẩm bao gồm: kim loại nặng (chì, cadimi, asen, thủy ngân, kẽm, antimon, germani…); các hợp chất hữu cơ (phenol, formaldehyde, vinyl chloride, bisphenol A, styrene, ethyl benzene, toluene, caprolactam…) ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng thực phẩm và sức khỏe người tiêu dùng Theo khảo sát của tổ chức Quốc tế về Bảo tồn Thiên nhiên (WWF) trên 10 tỉnh thành của Việt Nam từ năm 2019 đến 2020, trung bình mỗi hộ gia đình sử dụng từ 2-

4 túi nylon và từ 2-4 chai nhựa hoặc hộp xốp mỗi ngày[1] Trong những năm gần đây, Việt Nam có tỉ lệ mắc mới và tử vong do ung thư tăng lên một cách đáng kể Theo dữ liệu của chương trình GLOBOCAN 2018 xây dựng bởi Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC), Việt Nam hiện đang xếp thứ 56 về tỉ lệ tử vong do ung thư trong tổng số 185 nước được khảo sát với 104 ca, cao hơn tỉ lệ tử vong trung bình chung của thế giới và khu vực Đông Nam Á [2] Việc tìm ra nguồn gây ung thư và loại trừ các mối nguy là vấn đề hoàn toàn không dễ dàng Vì việc phơi nhiễm với các

hóa chất có khả năng gây ung thư với hàm lượng thấp sẽ là quá trình tích lũy lâu dài

và thầm lặng

Đã có một số công trình nghiên cứu về sự thôi nhiễm kim loại nặng trong bao bì nhựa cũng như các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ bao bì nhựa có tiếp xúc với thực phẩm Điển hình như Ohidul Alam và cộng sự (2019)[3] đã sử dụng ICP-OES để phân tích các kim loại nặng (Pb, Cr, Cd, As, Cu và Zn) có trong các mẫu bao bì nhựa như túi

PE, HDPE, LDPE và PVC hay Elena Ungureanu và cộng sự (2020)[4] đã tiến hành phân tích hàm lượng kim loại nặng (Pb, Cd, Cr) và sự thôi nhiễm kim loại nặng từ các vật liệu tiếp xúc với thực phẩm khác nhau (nhựa, giấy, bìa, thủy tinh, gốm, v.v.) Ngoài ra, Rafal Borusiewicz và cộng sự (2016)[5] đã nghiên cứu xác định các các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi có trong 28 mẫu túi làm bằng PE đến từ 9 thương hiệu khác nhau Davis W Nathan (2017)[6] đã tiến hành phân tích sự ô nhiễm các hữu cơ

dễ bay hơi trong thực phẩm đóng gói (bỏng ngô làm bằng lò vi sóng) bằng GC/MS Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu này chỉ nghiên cứu chuyên về kim loại nặng hoặc về các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, chưa có nghiên cứu nào cùng thực hiện phân tích cả hai thành phần kim loại nặng và các hợp chất dễ bay hơi đồng thời từ

SPME-cùng một nền mẫu Do đó, chúng tôi quyết định thực hiện nghiên cứu đề tài: “Nghiên

cứu sự thôi nhiễm kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ bao bì nhựa có tiếp xúc với thực phẩm”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu sự thôi nhiễm của kim loại nặng (KLN) trong bao bì nhựa có tiếp xúc với thực phẩm bằng phương pháp ICP-MS

Nghiên cứu thành phần các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) trong bao bì nhựa có tiếp xúc với thực phẩm bằng phương pháp TD-GC/MS trong và thẩm định phương pháp xác định hàm lượng tổng chất bay hơi (toluene, styrene, ethylbenzene, isopropylbenzene, n-propylbenzene) trong nhựa PS bằng phương pháp GC-MS

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung khảo sát mức độ thôi nhiễm kim loại nặng và nhận danh các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trên ba nền mẫu nhựa: polyamide (PA), polyethylene (PE) và polystyrene (PS)

Phạm vi của đề tài là phân tích các kim loại (As, Pb, Cd, Al, Co, Zn, Ge, Sb) thôi nhiễm trong dung dịch acetic acid 4% trong ba nền mẫu nhựa: PA, PE và PS; Nhận danh các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong ba nền mẫu nhựa: PA, PE và PS; Định lượng hàm lượng styrene, toluene, ethylbenzene, n-propylbenzene, isopropylbenzene trong nền mẫu nhựa PS

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thôi nhiễm kim loại nặng trong các mẫu nhựa được khảo sát dựa trên kỹ thuật quang phổ plasma cảm ứng cao tần ghép khối phổ (ICP-MS) Phương pháp nghiên cứu nhận danh các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) trong các mẫu nhựa được khảo sát dựa trên kỹ thuật giải hấp nhiệt ghép nối sắc ký khí đầu

dò khối phổ (TD – GC/MS)

Phương pháp định lượng các hợp chất dễ bay hơi (styrene, toluene, n-propyl-benzene, isopropylbenzene, ethylbenzene) được khảo sát dựa trên kỹ thuật sắc ký khí đầu dò khối phổ (GC-MS)

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Thông qua số liệu nghiên cứu sự thôi nhiễm các kim loại nặng và các hợp chất hữu

cơ dễ bay hơi từ các bao bì có tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm được sử dụng phổ biến hằng ngày, có thể đưa ra cảnh báo về tác động xấu gây hại cho sức khỏe người tiêu dùng, và giúp cho nhà sản xuất bao bì, thực phẩm có sự lựa chọn loại vật liệu an toàn cho việc đóng gói thực phẩm

TỔNG QUAN Tổng quan về bao bì chứa đựng thực phẩm

Bao bì nhựa

Ngày nay, bao bì được xem như một thành phần không thể thiếu trong quá trình sản xuất, phân phối và hoạt động tiếp thị Bao bì dùng để chứa đựng sản phẩm, đảm bảo sản phẩm bên trong không hư hỏng Bao bì có dạng trực tiếp chứa đựng sản phẩm,

có dạng khác chứa sản phẩm đã được đóng gói Bao bì đảm bảo cho sự vận chuyển

an toàn hàng hoá từ nơi sản xuất đến người tiêu dùng trong điều kiện tốt nhất Các tính năng cần có của một bao bì gồm: Tính năng chứa đựng sản phẩm, bảo vệ sản phẩm, thể hiện thông tin về sản phẩm, nhằm quảng cáo nhãn hiệu, sản phẩm và tính hiệu quả, tiện lợi khi sử dụng [7]

Hình 1.1 Bao bì nhựa tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm [7]

Phụ gia dùng trong sản xuất nhựa thường là chất độn, chất làm dẻo, chất chống oxi hóa, chất chống cháy, chất tạo màu, chất ổn định, chất bôi trơn, chất tạo xốp và chất chống tĩnh điện [1] Ngoài ra, còn có nhiều loại phụ gia khác cũng được sử dụng với hàm lượng thấp hơn Ngoài các sản phẩm dựa trên vật liệu đơn, vật liệu đa lớp được

sử dụng phổ biến trong ngành đóng gói thực phẩm Những vật liệu này được sản xuất bằng sự kết hợp của nhiều loại vật liệu nhựa hoặc không phải nhựa (ví dụ: giấy nhôm

và giấy) nhằm tăng khả năng bảo quản, giảm ảnh hưởng của ánh sáng, chống thấm khí, chống ẩm Bao bì nhiều lớp này thường được kết dính nhờ chất keo, các chất keo được pha trộn với dung môi hữu cơ, cũng là nguồn thôi nhiễm VOCs vào thực phẩm Bên cạnh đó, các monomer, oligomer sử dụng trong quá trình sản xuất nhựa còn tồn

dư trong nhựa cũng có thể thôi nhiễm vào thực phẩm

Kim loại nặng

Kim loại nặng thường nhiễm từ chất phụ gia (chất tạo màu, chất chống cháy, chất độn, và chất ổn định) được sử dụng trong quá trình sản xuất các sản phẩm polymer (Bảng 1.1) Ví dụ, oxit antimon, oxit nhôm và kẽm borat là những chất chống cháy, hay các hợp chất chống cháy có chứa Cl và Br Bên cạnh đó, các kim loại như Zn,

Pb, Cr, Co, Cd và Ti được sử dụng trong các hợp chất tạo màu vô cơ [8, 9] Hay đối với nhựa PVC, phụ gia PbO.PbCO3 và hợp chất cơ kim với Sn thường được sử dụng như chất chống lão hóa nhiệt trong quá trình gia công, nếu không có phụ gia này vật liệu nhựa sẽ dễ dàng bị oxi hóa và dễ cháy

Theo Cơ quan Nghiên cứu Ung thư quốc tế (IARC), asen, cadimi, crom, chì và thủy ngân được phân loại là chất có khả năng gây ung thư ở người [10] Dựa trên bằng chứng về dịch tễ học và thực nghiệm, các nghiên cứu đã chỉ ra mối tương quan giữa

sự tiếp xúc với các yếu tố kể trên và tỷ lệ mắc bệnh ung thư ở người Độc tính của chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: liều lượng, cách đối tượng tiếp xúc với các nguyên tố cũng như tuổi, giới tính, di truyền và trạng thái dinh dưỡng của người tiếp xúc Nồng độ kim loại nặng cao gây ra các tổn thương tế bào và mô, dẫn đến nhiều loại tác động xấu và bệnh tật ở người Trong số các kim loại, Al, Sb, As,

Ba, Cd, Cr (II), Co, Cu, Pb, Hg, Ni, Se, Sn và V là các estrogen kim loại được xác định thể hiện ái lực cao với các estrogen, vì chúng có thể bắt chước kích hoạt estrogen

Vì lý do này, chúng được coi là có hại và có khả năng gây bệnh ung thư vú [11-13]

Bảng 1.1 Mục đích sử dụng của các kim loại trong các sản phẩm nhựa và ảnh

hưởng của chúng đối với sức khỏe con người [1, 14]

Liên kết với estrogen gây ung thư vú

Là chất gây ung thư Đồng

(Cu)

Chất chống nhiễm

khuẩn

Chai nhựa PET Gây gãy và oxi hóa dây DNA

Asen (As) Chất chống nhiễm

khuẩn

PVC, LDPE, PE

Gây ung thư: phổi, da, gan, bàng quang, thận; đường tiêu hóa; có thể gây tử vong

Liên kết với estrogen gây ung thư vú, viêm da; đau dạ dày; buồn nôn; đau bụng, tiêu chảy

đỏ

Gây thiếu máu, tăng huyết áp, sẩy thai, gây gián đoạn hệ thống thần kinh, tổn thương não, vô sinh, thúc đẩy quá trình oxy hóa

Thủy

ngân (Hg) Chất diệt khuẩn PU

Gây đột biến hoặc ung thư gen, tổn thương não

(Ba)

Chất kháng tia UV,

chất tạo màu vô cơ PVC

Liên kết với estrogen gây ung thư vú; gây rối loạn tim mạch,

hệ tiêu hóa, hệ thần kinh Nhìn chung, các thành phần hóa học có thể thôi nhiễm từ bao bì nhựa vào thực phẩm thường có nồng độ thấp nên sẽ không gây ngộ độc cấp tính Tuy nhiên, các chất này

vẫn có khả năng được tích lũy lâu dài và gây ngộ độc mãn tính cho con người với mức độ nguy hiểm tùy thuộc vào hàm lượng và thời gian tích lũy của người sử dụng

Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) là các chất hữu cơ ở dạng rắn hoặc lỏng, có thể bay hơi ở nhiệt độ không quá cao Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi thường có trong vật liệu nhựa như: Toluene, xylene…; các hợp chất hydrocarbon mạch thẳng, mạch nhánh; monomer như styrene, vinylchloride, bisphenol A tồn dư trong vật liệu…[15] Dung môi tồn dư có trong bao bì, mực in cũng có thể gây hại cho người

sử dụng khi tiếp xúc với dung môi này qua đường hô hấp, tiêu hóa cũng như qua da Các VOCs có thể gây ảnh hưởng đến người tiếp xúc một cách tức thời hoặc lâu dài như gây kích ứng mắt, da, đường hô hấp, đau đầu, chóng mặt, rối loạn thị giác, mệt mỏi, buồn nôn, suy giảm trí nhớ và nặng hơn có thể gây ảnh hưởng đến gan, thận, hệ thần kinh trung ương và ung thư [16]

Bảng 1.2 Hàm lượng một số VOCs tồn dư tối đa cho phép trong các loại nhựa [17]

cho phép

1 Polystyrene (PS)

Tổng số chất bay hơi (styrene, toluene, ethylbenzene, isopropylbenzene, n-propylbezene)

5000 mg/kg (*)

2000 mg/kg (**)

Styrene và ethylbenzene 1000 mg/kg

2 Nylon/ Polyamide (PA) Caprolactam 15 μg/ml

4 Polyvinyl Chloride (PVC) Vinyl chloride 150 μg/ml (*) áp dụng cho nhựa PS cứng, (**) áp dụng cho nhựa PS xốp (trương nở)

Sơ lược về một số VOCs có trong nhựa PS

Styrene[18]

 Công thức phân tử: C6H5CHCH2

 Công thức cấu tạo:

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của Styrene

 Tên quốc tế: Styrene; ethenylbenzene; vinylbenzene

 Khối lượng phân tử: 104,15 g/mol

 Tính chất: là một loại chất lỏng trong suốt, không màu, nhiệt độ sôi ở 145oC, tỷ trọng 0,9059 g/cm3 ở 20oC Được phân loại vào nhóm 2A (có khả năng cao gây ung

thư cho người) theo IARC [10]

Toluene [19]

 Công thức phân tử: C6H5CH3

 Công thức cấu tạo:

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của Toluene

 Tên quốc tế: Toluene; methylbenzene

 Khối lượng phân tử: 92,14 g/mol

 Tính chất: là một loại chất lỏng trong suốt, không màu, có mùi đặc trưng, nhiệt

độ sôi ở 110,6oC, tỷ trọng 0,8623 g/cm3 ở 20oC Được phân loại vào nhóm 3 (nhóm không thể phân loại về khả năng gây ung thư cho người) theo IARC [10]

Ethylbenzene [20]

 Công thức phân tử: C6H5C2H5

 Công thức cấu tạo:

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của Ethylbenzene

 Tên quốc tế: Ethylbenzene; Phenylethane

 Khối lượng phân tử: 106,16 g/mol

 Tính chất: là một chất lỏng không màu, dễ cháy, có mùi giống xăng, nhiệt độ sôi

ở 136,1oC, tỷ trọng 0,8626 g/cm3 ở 25oC Được phân loại vào nhóm 2B (có khả năng gây ung thư cho người) theo IARC [10]

Isopropylbenzene [21]

 Công thức phân tử: C6H5CH(CH3)2

 Công thức cấu tạo:

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của Isopropylbenzene

 Tên quốc tế: Cumene; 2-Phenylpropane

 Khối lượng phân tử: 120,19 g/mol

 Tính chất: là một chất lỏng không màu, có mùi giống xăng, nhiệt độ sôi ở 152,4oC,

tỷ trọng 0,8620 g/cm3 ở 20oC Được phân loại vào nhóm 2B (có khả năng gây ung thư cho người) theo IARC [10]

n-Propylbenzene [22]

 Công thức phân tử: C9H12

 Công thức cấu tạo:

Hình 1.6 Công thức cấu tạo của n-Propylbenzene

 Tên quốc tế: Propylbenzene; 1-Phenylpropane; Benzene, propyl-

 Khối lượng phân tử: 120,19 g/mol

 Tính chất: là một chất lỏng không màu, nhiệt độ sôi ở 159,2oC, tỷ trọng 0,8620 g/cm3 ở 20oC

Đánh giá chất lượng bao bì nhựa chứa đựng thực phẩm

Có rất nhiều lý do để chúng ta quan tâm đến vấn đề kiểm nghiệm bao bì thực phẩm, trong đó phải kể đến hai nguyên nhân chính sau:

Thứ nhất, bao bì sẽ là thành phần tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm, trong quá trình sử dụng lâu dài có thể thôi nhiễm các chất có hại vào thực phẩm do sử dụng nhiệt độ, do thức ăn hay quá trình bảo quản chưa đúng cách, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người

sử dụng

Thứ hai, để ngăn chặn nguy cơ xảy ra ngộ độc hóa chất hay ngộ độc thức ăn có nguyên nhân đến từ việc tích lũy các chất có hại có trong bao bì thực phẩm gây ra, các doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh các loại bao bì sử dụng cho thực phẩm phải thực hiện việc kiểm tra, đánh giá thường xuyên các loại bao bì theo các quy chuẩn hiện hành.Theo như quy định hiện hành thì các chỉ tiêu kiểm nghiệm cho bao bì sử dụng cho thực phẩm phải được xây dựng dựa trên các quy chuẩn của Bộ Y tế quy định chi tiết cho từng loại bao bì, dụng cụ như:

+ QCVN 12- 1:2011/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn vệ sinh đối với bao bì, dụng cụ bằng nhựa tổng hợp tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm

+ QCVN 12- 2:2011/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về vệ sinh an toàn đối với bao bì, dụng cụ bằng cao su tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm

+ QCVN 12- 3:2011/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về vệ sinh an toàn đối với bao bì, dụng cụ bằng kim loại tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm

+ QCVN 12- 4:2015/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về vệ sinh an toàn đối với bao bì, dụng cụ bằng thủy tinh, gốm, sứ và tráng men tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm

Theo EU, FDA, Trung Quốc quy định hàm lượng thôi nhiễm trong bao bì như: + Quy định (EU) No 10/2011: Các chỉ tiêu thôi nhiễm cho xuất khẩu sang EU + Qui định FDA: FDA 21 CFR 177.1520

Mức độ thôi nhiễm sẽ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Tính chất của thực phẩm, loại

nhựa sử dụng, nhiệt độ sử dụng, thời gian tiếp xúc của thực phẩm với bao bì

Tổng quan về các công trình nghiên cứu

Khảo sát hàm lượng kim loại nặng trong giấy bao bì thực phẩm [23]

Marcelo E Conti và cộng sự (1997) đã tiến hành phân tích bốn KLN (Cd, Cr, Pb và Hg) trong 12 mẫu giấy khác nhau (7 loại dùng làm bao bì thực phẩm và 5 loại không dùng cho thực phẩm) bằng phương pháp AAS

Chuẩn bị mẫu: Các mẫu được cắt thành hình vuông 10x10 cm, bảo quản ở 4oC (độ

ẩm 50-55%) Mẫu được đặt trong bình, sấy ở 105oC trong 2 giờ, cân sau mỗi 30 phút cho đến khi khối lượng không đổi

Điều kiện ngâm: Ngâm mẫu ở 23oC trong vòng 24 giờ với tỷ lệ 2 dm2 (tương ứng mỗi mặt 1 dm2) trong 100 mL nước cất và ngâm mẫu ở 40oC trong vòng 24 giờ với tỷ lệ

2 dm2 (tương ứng mỗi mặt 1 dm2) trong 100 mL acid acetic 3%

Kết quả: Hàm lượng các KLN được thể hiện trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Kết quả hàm lượng KLN[19]

Thủy ngân (Hg) μg/dm 2 μg/g μg/dm 2 μg/g μg/dm 2 μg/g μg/dm 2 μg/g

Thử thôi nhiễm (AA 3%)

Xác định hàm lượng kim loại nặng trong một số loại túi nhựa[3]

Ohidul Alam và cộng sự (2019) đã sử dụng ICP-OES để phân tích các KLN (Pb, Cr,

Cd, As, Cu và Zn) có trong các mẫu bao bì nhựa như túi PE, HDPE, LDPE và PVC

Chuẩn bị mẫu: Cân 0,2 g mẫu bao bì cho vào bình PTFE có nắp đậy, thêm 20 mL

dung dịch HNO3 65% Để mẫu ổn định 30 phút, sau đó đun nóng ở 175oC trong 90 phút Sau khi mẫu đã được phân hủy, bình chứa mẫu được làm lạnh về nhiệt độ phòng

Thêm tiếp 10 mL dung dịch H2O2 30% vào mẫu và đun nóng ở 175oC trong 60 phút Cuối cùng mở nắp bình chứa mẫu để làm bay hơi dung dịch trong 15 phút Lọc dung dịch còn lại qua màng lọc 0,45 μm và chuyển vào bình định mức 50 mL, thêm 2 mL HNO3 đậm đặc và tiến hành đo ICP-OES

Kết quả: Hàm lượng Pb, Cr, Cd, As, Cu và Zn lần lượt là 66, 75, 16, 28, 96 và 154

mg/kg trong mẫu túi PE, trong mẫu túi HDPE lần lượt là 71, 74, 34, 39, 430 và 212 mg/kg; 12, 74, 23, 43, 158 và 54 mg/kg đối với bao LDPE và 16, 23, 474, 12, 45 và

90 mg/kg tương ứng trong mẫu túi PVC

Khảo sát sự thôi nhiễm kim loại nặng trong vật liệu tiếp xúc với thực phẩm tại Romania [4]

Elena Ungureanu và cộng sự (2020) đã tiến hành phân tích hàm lượng KLN (Pb, Cd, Cr) và sự thôi nhiễm KLN từ các vật liệu tiếp xúc với thực phẩm khác nhau (nhựa, giấy, bìa, thủy tinh, gốm, v.v.) có sẵn trên thị trường ở Romania bằng phương pháp GF-AAS và ICP-MS

Phân tích hàm lượng KLN bằng phá mẫu trực tiếp vật liệu: Mẫu (nhựa, giấy, bìa,

thủy tinh, gốm, v.v.) được xử lý bằng phương pháp vô cơ hóa ướt kết hợp lò vi sóng

sử dụng HNO3 65% và H2O2

Phân tích hàm lượng KLN bằng ngâm thôi nhiễm: Mẫu nhựa được ngâm trong acid

acetic 3% ở 40oC trong 10 ngày; mẫu giấy và bìa cứng được ngâm trong nước cất ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ và mẫu thủy tinh được ngâm trong acid acetic 4% với cùng điều kiện ngâm chiết của mẫu giấy

Kết quả: Đối với vật liệu nhựa, Pb có hàm lượng trong khoảng từ 0,002 - 5,997 mg/kg,

Cd có hàm lượng từ 0,0002 - 0,059 mg/kg và Cr là từ 0,013 - 0,638 mg/kg Đối với mẫu giấy và bìa cứng, nồng độ của ba kim loại này được phát hiện cao hơn, Pb dao động từ 0,002 - 14,650 mg/kg, Cd từ 0,0002 - 0,490 mg/kg, và Cr từ 0,013 - 25,800 mg/kg

Khảo sát sự thôi nhiễm các chất hữu cơ dễ bay hơi trong thực phẩm đóng gói[6]

Davis W Nathan (2017) đã tiến hành phân tích sự ô nhiễm các hữu cơ dễ bay hơi trong thực phẩm đóng gói (bỏng ngô làm bằng lò vi sóng) bằng SPME-GC/MS Diacetyl và các hợp chất có liên quan khác (DAPORS) có trong bỏng ngô làm từ lò

vi sóng được phát hiện gây ra bệnh viêm tiểu phế quản tắc nghẽn ở công nhân nhà máy sản xuất Sợi Carboxen/polydimethyl siloxane (CAR/PDMS) 85 μm được xác định là tối ưu về độ nhạy và đáp ứng mức độ phát hiện của DAPORS Với tốc độ khuấy 500 vòng/phút, thời gian ủ chiết ở 40oC trong 10 phút, giải hấp ở 260oC trong vòng 2 phút trực tiếp tại inlet của GC, sau đó mẫu được phân tích bằng GC-MS 8 loại DAPORS đã được phân tích trong cả hai loại bỏng ngô giàu và ít chất béo Kết quả tìm thấy hàm lượng lớn của diacetyl và 2,3-pentanedione ở các loại bỏng ngô ít chất béo, trong khi diacetyl nằm dưới giới hạn phát hiện ở các loại bỏng ngô giàu chất béo

Xác định các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong màng bọc phô mai bằng HS-SPME – GC/MS[24]

Sara Panseri và cộng sự (2014) đã nghiên cứu xác định các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) từ màng bọc phô mai làm từ chất liệu PVC và PE bằng SPME- GC/MS Ảnh hưởng của loại màng bọc và thời gian tiếp xúc đối với sự thôi nhiễm của VOCs

từ màng sang bốn loại phô mai trong quá trình bảo quản lạnh dưới ánh sáng hoặc bóng tối cũng được nghiên cứu 5 g phô mai hoặc 1g màng bọc được cho vào ống 20

ml có nút đậy, thêm 1 mL nội chuẩn camphor 1 μg/mL và tiến hành ủ trong 1 giờ Sợi Divinylbenzene/CarboxenTM/polydimethylsiloxane StableFlexTM được sử dụng

để hấp thụ các VOCs ở 50oC trong 3 giờ sau đó được phân tích bằng GC-MS với cột Rtx-Wat (30m x 0,25mm x 0,25μm) và chương trình nhiệt: Từ 35oC giữ 8 phút, tăng

4oC/phút đến 60oC, tăng tiếp 6oC/phút đến 160oC và cuối cùng tăng 20oC/phút đến

200oC Kết quả phát hiện thấy 2-ethylhexanol trong màng PVC; toluene và ethylbenzene trong màng PE; ethylbenzene, triacetyl, xylene và styrene trong mẫu phô mai PDO được bọc trong màng PVC và PE

Xác định các hợp chất dễ bay hơi trong túi nhựa PE [5]

Rafal Borusiewicz và cộng sự (2016) đã nghiên cứu xác định các các hợp chất hữu

cơ dễ bay hơi có trong 28 mẫu túi làm bằng PE đến từ 9 thương hiệu khác nhau Mẫu được phân tích bằng cách hấp thu thụ động với Tenax TA trong điều kiện 80oC ở 2 giờ và giải hấp nhiệt bằng thiết bị giải hấp nhiệt tự động (Turbo Matrix ATD; PerkinElmer) Sau đó mẫu được phân tích bằng GC-MS với cột DB5-MS UI (30m x 0,25mm x 0,5μm) và chương trình nhiệt: Từ 40oC giữ trong 10 phút, tăng 7oC/phút đến 120oC, tăng tiếp 15oC/phút đến 300oC và giữ 5 phút Kết quả cho thấy trong hầu hết tất cả các mẫu túi đều có một hỗn hợp đặc biệt, bao gồm n-ankan và n-anken với

số chẵn nguyên tử cacbon trong phân tử Một số hợp chất khác (ví dụ, limonene, 2,2,4,6,6-pentametylheptan) cũng được tìm thấy, nhưng sự hiện diện của n-ankan và n-anken với số chẵn nguyên tử cacbon tạo nên điểm đặc trưng nhất

từ kỹ thuật số Hai ưu điểm nổi bật của ICP-MS là có độ phân giải cao và dễ tách nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau Do đó có thể phát hiện được hầu hết các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn

1.4.1.2 Cấu tạo thiết bị

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo thiết bị ICP-MS iCAP RQ Thermo Scientific

Bơm nhu động: Là một máy bơm nhỏ với rất nhiều trụ nhỏ xoay cùng tốc độ Sự chuyển động liên tục của các con lăn trên ống bơm tạo lực hút mẫu dẫn đến đầu phun sương, giúp đảm bảo dòng chảy liên tục của chất lỏng, bất kể sự khác nhau về độ nhớt giữa các mẫu, mẫu chuẩn và mẫu trắng

Buồng phun: Dùng khí nén (thường có tốc độ dòng 1 L/phút) để thổi dung dịch mẫu

đi vào thành các aerosol với các hạt có kích thước lớn nhỏ rồi dẫn chúng vào buồng plasma

Hệ thống torch: Gồm 3 ống đồng tâm được làm từ thạch anh và lồng vào nhau, được đặt trong cuộn cảm ứng, là nơi tạo ra plasma có nhiệt độ cao để ion hóa các cấu tử chứa kim loại trong mẫu

Vùng trung gian hình nón: Gồm 2 nón kim loại (thường là niken) với các lỗ rất nhỏ

ở tâm để duy trì ở môi trường chân không, sẽ cho phép các ion từ vùng plasma đi qua,

và loại bỏ các tạp chất

Hệ thấu kính ion: Là các thấu kính điện tử, hình cong vuông góc, hoạt động như một

hệ thấu kính Chúng có chức năng hội tụ chùm ion, hướng các ion M+ vào buồng phân

giải khối, chắn phần điện tử khác và phần tử trung hòa rồi loại chúng ra ngoài bằng chân không

Buồng va chạm: Thiết bị iCAP RQ ICP-MS (Thermo Scientific) sử dụng kỹ thuật loại trừ nhiễu động năng (Kinetic Energy Discrimination - KED) và được thực hiện trong hệ thống phản ứng bát cực (Octopole Reaction System – ORS) KED được thực hiện theo cách tạo ra một rào thế giữa ORS và bộ tách khối Rào thế được tạo ra bằng cách dùng nguồn điện một chiều để chỉnh thế của ORS thấp hơn thế của bộ tách khối Chùm ion sinh ra từ vùng plasma sau khi đi qua ORS sẽ va chạm với các phân tử khí trơ (thường là Helium) Do có hiệu suất va chạm thấp nên các ion phân tích vẫn giữ được một lượng đáng kể động năng ban đầu, trong khi các ion được tạo ra do các phản ứng thứ cấp trong plasma thường có bán kính lớn hơn dẫn đến xác suất va chạm cao hơn làm cho các ion này có động năng thấp hơn nên không vượt qua được rào cản thế

Bộ tứ cực: Hoạt động bằng cách kết hợp điện thế xoay chiều tần số vô tuyến (RF) với điện thế dòng điện một chiều (DC) trên bốn điện cực để tạo ra điện trường mà các ion mẫu đi qua Tùy thuộc vào tỉ lệ RF/DC mà vùng điện trường giữa các thanh sẽ cho phép các ion có tỉ lệ m/z dao động trong một phạm vi hẹp đi qua Do đó bằng cách điều chỉnh tỉ lệ RF/DC mà các tứ cực có khả năng quét tuần tự một khoảng m/z rộng

và liên tục

Đầu dò ion: Hoạt động theo nguyên tắc phát xạ điện tử thứ cấp (SEM), trong đó các hạt tích điện sẽ kích thích sự phát xạ của các electron từ bề mặt Sau đó các electron

sẽ va đập lên dynode làm khuếch đại tín hiệu của các electron đơn lẻ lên đến 109

ion/giây và ghi nhận tín hiệu

Kỹ thuật sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) kết hợp giải hấp nhiệt (TD)

1.4.2.1 Sắc ký khí[26]

Cột sắc ký khí cho phép phân tách các cấu tử khí hay các cấu tử hóa hơi ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi của chúng, thường nhỏ hơn 330oC (tùy thuộc vào giới hạn nhiệt

độ của từng loại cột khác nhau) Sau khi ra khỏi cột, các cấu tử sẽ được ghi nhận bởi các loại đầu dò khác nhau tùy vào mục đích yêu cầu khác nhau

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống sắc ký khí[27]

Hệ thống sắc ký khí bao gồm:

 Nguồn cung cấp khí mang: sử dụng các bình khí thương mại

 Lò cột (buồng nhiệt): Dùng để điều khiển nhiệt độ cột theo chương trình nhiệt

được cài đặt

 Bộ phận tiêm mẫu: Dùng để đưa mẫu cần phân tích vào cột thông qua inlet với

các thể tích tiêm khác nhau Khi đưa mẫu vào cột, có thể sử dụng chế độ chia dòng (split) hoặc không chia dòng (splitless) Có 2 cách đưa mẫu vào cột: bằng tiêm thủ công hoặc tiêm tự động (Autosampler – có hoặc không có bộ phận hóa hơi - headspace)

 Cột phân tích: Có 2 loại cột là cột nhồi và cột mao quản

 Cột nhồi (packed column): Pha tĩnh sẽ được nhồi vào trong cột, cột có đường kính

từ 2 - 4 mm và chiều dài khoảng 2 - 3 m

 Cột mao quản (capillary): Pha tĩnh được phủ ở mặt trong của cột (bề dày từ 0,2 -

12 μm), cột có đường kính trong từ 0,1 - 0,5 mm và chiều dài 30 - 100 m

 Đầu dò: Có nhiều loại đầu dò khác nhau tùy thuộc vào chất cần phân tích như đầu

dò ion hóa ngọn lửa (FID – Flame Ioniation Detetor) thường được dùng phân tích

định lượng các hợp chất hữu cơ; Đầu dò dẫn nhiệt (TCD – Thermal Conductivity Detector); Đầu dò cộng kết điện tử (ECD – Electron Capture Detector) thường dùng

để phân tích các hợp chất có chứa Clo; Đầu dò quang hóa ngọn lửa (FPD – Flame Photometric Detector); Đầu dò NPD (Nitrogen Phospho Detector) thường dùng để phân tích các hợp chất có chứa N, P; Đầu dò khối phổ (MS – Mass Spectrometry)

sẽ được hướng vào bộ tứ cực, tại đây các ion sẽ được tách ra dựa trên tỷ lệ khối lượng/điện tích (m/z) Sau khi ra khỏi bộ tứ cực, các ion được đầu dò ghi nhận và khuếch đại tín hiệu

b) Kỹ thuật ion hóa

Ion hóa điện tử (Electron Ionization – EI): Là phương pháp ion hóa được sử dụng

phổ biến nhất Các phân tử của hợp chất hữu cơ cần phân tích ở trạng thái hơi sẽ bị các điện tử có năng lượng cao (thường là 70 eV) phát ra từ cathode trong buồng ion hóa bắn phá làm mất điện tử tạo thành ion phân tử M∙+ Với nguồn năng lượng 70 eV, hầu như các liên kết cộng hóa trị trong phân tử có thể bị bẻ gãy và tạo thành nhiều mảnh ion có khối lượng nhỏ hơn ion phân tử Dựa vào tỷ lệ các mảnh ion này so với phổ chuẩn mà người ta có thể xác định được cấu trúc phân tử của một hợp chất hữu

cơ chưa biết Hay dựa vào các mảnh ion cho ta các thông tin về cấu trúc của một hợp chất mới khi không có trong thư viện phổ

Ion hóa hóa học (Chemical Ionization – CI): Phương pháp này có kỹ thuật gần giống

với kỹ thuật ion hóa điện tử Nguyên tắc của ion hóa hóa học là đưa vào một chất khí

(thường là methane), chất khí này sau đó sẽ bị ion hóa và tương tác cấu tử và tạo thành ion phân tử

Bảng 1.4 Nguyên tắc của thư viện NIST [29]

sẽ được định danh bằng đầu dò MS Bằng cách chiết xuất hơi hữu cơ từ mẫu và làm giàu ở bộ phận bẫy lạnh, TD cho phép phân tích các VOCs ở nồng độ thấp hay dạng vết Với bộ lấy mẫu tự động cùng 100 ống mẫu, hệ TD100-xr cho phép phân tích mẫu liên tục, khắc phục được các yếu điểm của hệ TD thế hệ cũ

Hình 1.9 Sơ đồ phân tích giải hấp nhiệt Thiết bị giải hấp nhiệt trực tiếp tự động (TD100-xr): Ống hấp phụ TD được đặt trong một bộ gia nhiệt được thiết kế để bao phủ toàn bộ diện tích của ống hấp phụ Bộ gia nhiệt hoạt động theo chương trình nhiệt, gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 280oC, thời gian giải hấp 20 phút Khi đó các chất phân tích sẽ bị hóa hơi và được dẫn đễn bẫy lạnh bằng khí mang trơ (nitơ, argon, heli) Bộ bẫy lạnh ngưng tụ thường được đặt ở nhiệt độ -5 đến -30oC trong suốt thời gian giải hấp ống TD Sau khi bẫy các chất phân

tích, bẫy sẽ được gia nhiệt tức thời (trong 1-2s) đến nhiệt độ hóa hơi (260 – 300oC)

để các VOCs cùng lúc bay qua transfer line, vào trong cột sắc ký khí để phân tách các hợp chất, và được định danh bằng đầu dò MS

Kỹ thuật quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared spectroscopy – FTIR) là một kỹ thuật cho phép ghi lại quang phổ hồng ngoại Ánh sáng hồng ngoại được dẫn thông qua một giao thoa kế, được tách thành hai tia với hướng khác nhau Trong đó, một hướng đi qua mẫu và sau đó được giao thoa lại với tia còn lại Khi gương chuyển động bên trong thiết bị làm thay đổi tần số của ánh sáng hồng ngoại đi qua giao thoa kế Các dao động nối trong phân tử sẽ hấp thụ ánh sáng hồng ngoại có cùng tần số Phổ FTIR sẽ ghi nhận các băng hấp thụ ứng với các dao động Một tập hợp các băng hấp thụ sẽ đặc trưng cho một cấu trúc nhất định Do đó có thể được sử dụng FTIR để định danh một chất thông qua việc so sánh với các phổ chuẩn có trong thư viện phổ [31]

Ưu điểm của FTIR:

 Có thể phân tích cấu trúc định tính và định lượng

 Không cần phá mẫu, đo trực tiếp với hệ FTIR-ATR

 Có thể phân tích với mẫu kích thước nhỏ (>100 μm) trên hệ FTIR ghép ATR-kính hiển vi

 Định danh nhanh chóng và chính xác với thư viện phổ > 200,000 hợp chất khác nhau

Các tiêu chí đánh giá trong thẩm định phương pháp

Phương pháp phân tích được kiểm tra và chứng minh tính chính xác, độ tin cậy thông qua việc thẩm định phương pháp với các tiêu chí như độ chọn lọc, khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng của phương pháp, độ chụm, độ đúng và độ không đảm bảo đo của phương pháp

Độ chọn lọc

Là khả năng phát hiện được chất phân tích kể cả khi có sự xuất hiện các tạp chất khác làm ảnh hưởng đến nền mẫu Cụ thể, khi phân tích định tính thì phải chứng minh được kết quả là dương tính khi có sự xuất hiện của chất cần phân tích, âm tính khi không có chất cần phân tích, đồng thời kết quả phải âm tính khi có mặt các chất khác

có cấu trúc gần giống chất cần phân tích Trong phân tích định lượng thì đó là khả năng định lượng chính xác hàm lượng chất cần phân tích có trong mẫu khi bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác [32]

Khoảng tuyến tính và đường chuẩn

Khoảng tuyến tính của một phương pháp phân tích là khoảng nồng độ ở đó có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đo được và nồng độ chất phân tích Việc xác định khoảng tuyến tính thường được khảo sát bắt đầu từ giới hạn định lượng (điểm thấp nhất) và kết thúc là giới hạn tuyến tính (điểm cao nhất) [32]

Sau khi xác định được khoảng tuyến tính cần xây dựng đường chuẩn nằm bên trong khoảng tuyến tính và xác định hệ số tương quan Chuẩn bị dãy nồng độ chuẩn (ít nhất

ở 6 nồng độ) Xác định các giá trị đo được y biến thiên theo nồng độ x Nếu hai đại lượng y và x tuyến tính, ta có đường biểu diễn khoảng khảo sát là một phương trình hồi quy: