Nghiên cứu phát triển kỹ thuật QuEchERS GC,MS 3 SIM để phân tích đồng thời dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong đất tt

Vì vậy, việc xác định dư lượng HCBVTV trong đất là cần thiết, giúp người nông dân chuyển đổi sang nền nông nghiệp hữu cơ nông nghiệp sạch và an toàn Hiện nay, công tác đánh giá dư lượng

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

Phạm Tuấn Linh

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT QuEChERS GC/MS 3 SIM

ĐỂ PHÂN TÍCH ĐỒNG THỜI DƢ LƢỢNG HÓA CHẤT BẢO VỆ

THỰC VẬT TRONG ĐẤT

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 62.44.01.18

DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA PHÂN TÍCH

Hà Nội, 2018

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ -

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Vũ Đức Lợi

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Nguyễn Hồng Khánh

và Công nghệ Việt Nam vào hồi … … giờ , ngày …… tháng …… năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Hiện nay trên thế giới, có trên 1500 loại hóa chất bảo vệ thực vật đã và đang được sử dụng, phân loại dựa trên thành phần, cấu tạo hóa học (cơ Clo, cơ Phốt pho, Carbamate, Pyrethroid…) hay theo công dụng (thuốc trừ sâu, trừ nấm, trừ cỏ…)

Tại Việt Nam, hóa chất bảo vệ thực vật ngày càng được sử dụng phổ biến với chủng loại ngày càng tăng (từ 189 hoạt chất năm

2003 lên 437 hoạt chất năm 2010)

Các hóa chất bảo vệ thực vật đều là những chất ô nhiễm, có thời gian phân hủy kéo dài nên tồn tại lâu trong môi trường Do đó, theo thời gian, trong môi trường đất sẽ tồn tại dư lượng nhiều loại hóa chất bảo vệ thực vật khác nhau

Các hóa chất bảo vệ thực vật trong đất, thông qua chuỗi thực phẩm có thể phân tán vào cơ thể người, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe Vì vậy, việc xác định dư lượng HCBVTV trong đất là cần thiết, giúp người nông dân chuyển đổi sang nền nông nghiệp hữu cơ (nông nghiệp sạch và an toàn)

Hiện nay, công tác đánh giá dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong đất được tiến hành riêng theo từng nhóm chất, mỗi nhóm có qui trình phân tích riêng làm tăng chi phí phân tích, kéo dài thời gian

và quy trình phân tích cũng phức tạp hơn

Do đó, đề tài “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật QuEChERS GC/MS 3 SIM để phân tích đồng thời dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong đất” được thực hiện nhằm giảm thời gian phân tích, giảm thiểu các bước phân tích, ít tiêu tốn hóa chất và đạt hiệu suất thu hồi cao hơn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng phương pháp phân tích mới, nhanh, đơn giản để phân tích đồng thời dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật thuộc các nhóm hoạt chất khác nhau (bao gồm nhóm cơ clo, cơ phốt pho, cacbamat, pyrethroid) trong môi trường đất trên thiết bị GC/MS với quá trình

xử lý mẫu theo kỹ thuật QuEChERS

3 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án

- Nghiên cứu thiết lập các thông số trên hệ thiết bị GC/MS: chế độ bơm mẫu, chương trình nhiệt độ, điều kiện cho hệ khối phổ

- Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện chiết và làm sạch mẫu: dung môi và thời gian chiết, các yếu tố ảnh hưởng, các chất làm sạch

- Đánh giá phương pháp: xác định giới hạn định lượng, khoảng tuyến tính, hiệu suất thu hồi, độ lặp lại

- Áp dụng phân tích 30 mẫu đất và so sánh với 04 phòng thí nghiệm trong và ngoài nước

4 Đóng góp mới của luận án

- Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam cho phân tích hóa chất bảo vệ thực vật trong mẫu đất theo phương pháp QuEChERS

- Phương pháp sử dụng kỹ thuật chiết d-SPE thay vì chiết soxhlet nên thời gian xử lý mẫu giảm từ 24 h xuống còn 25 phút, dung môi chỉ cần 15 ml (phương pháp thông thường cần tối thiểu 300 ml)

- Phương pháp có thể xác định đồng thời 103 hóa chất BVTV trong mẫu đất (công bố mới nhất chỉ có 42 hoạt chất được xác định đồng thời trong mẫu đất)

- Chỉ sử dụng hệ thiết bị phân tích GC/MS (công bố quốc tế thường

là thiết bị sắc ký khối phổ 2 lần GC/MS/MS)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Hóa chất bảo vệ thực vật (thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm hoặc thuốc trừ sâu) là những chất gây ô nhiễm môi trường thường được tìm thấy trong đất, nước, khí quyển và các sản phẩm nông nghiệp, với hàm lượng cao, có thể gây ảnh hưởng tới môi trường Mặc dù, với hàm lượng thấp, hóa chất bảo vệ thực cũng có thể gây ra tác dụng phụ đối với con người, thực vật, động vật và hệ sinh thái, tuy nhiên, việc áp dụng thuốc trừ sâu vẫn tăng lên đáng kể trong vài thập

kỷ qua, dẫn đến nguy cơ tiềm ẩn cho sức khỏe con người Thực tế, hơn 95% hóa chất bảo vệ thực vật bị phun ra ngoài (thường là môi trường đất) mà không tới được mục tiêu mong muốn Vì vậy, nhu cầu xác định dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong đất đã trở nên cấp bách

Việc phân tích dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong đất thường bao gồm công đoạn chuẩn bị mẫu và định lượng trên thiết bị Mục đích của việc chuẩn bị mẫu là tách được lượng vết các chất phân tích và loại bỏ các chất ảnh hưởng từ nền Các bước chuẩn bị mẫu thường bao gồm đồng nhất, chiết xuất và làm sạch

Do nồng độ hóa chất bảo vệ thực vật trong đất rất thấp, nên cần thiết phải có một kỹ thuật đủ mạnh để chiết tách, không làm mất mẫu Các kỹ thuật thường được áp dụng là khuấy trộn cơ học bằng cách lắc, siêu âm, vi sóng và chiết rắn - lỏng (ví dụ: chiết Soxhlet; chiết áp suất, chiết siêu tới hạn) Phương pháp làm sạch phổ biến nhất dựa trên kỹ thuật chiết pha rắn bằng cách sử dụng cột nhồi florisil Các phương pháp này tuy có hiệu quả, nhưng tốn thời gian (kéo dài tới 1,5 ngày), phức tạp và tốn kém

Do đó, việc phát triển các phương pháp phân tích mới để xác định đa dư lượng các hóa chất bảo vệ thực vật trong đất đã được quan tâm nghiên cứu

Các nghiên cứu trong phương pháp phân tích tập trung vào quá trình chiết tách các chất hữu cơ từ các nền mẫu khác nhau, làm giảm thời gian phân tích, giảm thiểu số bước tiến hành, sử dụng ít hóa chất hơn và mang lại hiệu suất thu hồi hồi cao hơn Năm 2003, Michelangelo Anastassiades đã phát triển một phương pháp chiết tách đa dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong rau quả Phương pháp này được gọi là QuEChERS, viết tắt của Quick, Easy, Cheap, Rugged và Safe Phương pháp dựa trên cơ sở chiết pha rắn phân tán (d-SPE) Trong d-SPE, hóa chất bảo vệ thực vật được chiết bằng dung môi không pha trộn với dung dịch có độ khoáng hóa cao, để tạo

ra sự phân tách pha lỏng – lỏng

Phương pháp QuEChERS đã trở nên phổ biến trong xác định nhiều loại dư lượng hóa chất, chủ yếu là thuốc trừ sâu trong các mẫu thực phẩm khác nhau do tính đơn giản, chi phí thấp, hiệu quả cao và

ít công đoạn thực hiện Phương pháp QuEChERS là phương pháp khung, linh hoạt, dễ dàng thay đổi tùy thuộc vào đặc tính chất cần phân tích, nền mẫu, thiết bị cũng như điều kiện tại mỗi phòng thí nghiệm Tuy nhiên, phương pháp QuEChERS vẫn chưa phổ biến cho phân tích dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong đất, số lượng hóa chất bảo vệ thực vật được phân tích đồng thời còn hạn chế

Hiện nay, tại Việt Nam, mới chỉ có các nghiên cứu áp dụng phương pháp QuEChERS trong phân tích hóa chất bảo vệ thực vật trong thực phẩm và dược liệu Dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong đất, vẫn được xác định theo phương pháp truyền thống, trên thiết bị GC / ECD hoặc GC / NPD, với chiết Soxhlet

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM Hoá chất và thiết bị

2.1

Chuẩn đơn của mỗi hóa chất BVTV được hòa tan trong dung môi MeCN với nồng độ 2,00 mg/ml, bảo quản ở -200C.Chuẩn hỗn hợp 10µg/ml được pha từ các dung dịch chuẩn đơn Hệ thống sắc kí khí khối phổ GC/MS QP 2010 (Shimadzu), cột phân tích DB 5 MS

Thiết lập các nội dung nghiên cứu

2.2

2.2.1 Lựa chọn đối tượng hoá chất BVTV

103 hóa chất bảo vệ thực vật thuộc các nhóm khác nhau, đã và đang được sử dụng phổ biến trong canh tác nông nghiệp tại Việt nam cũng như trên thế giới và có tính chất hóa lý phù hợp cho phân tích

trên thiết bị GC/MS đã được lựa chọn

2.2.2 Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện vận hành thiết bị sắc ký khí khối phổ (GC-MS)

- Lựa chọn nhiệt độ cổng bơm mẫu và tốc độ bơm mẫu, thể tích bơm mẫu và tốc độ khí mang

- Lựa chọn chương trình nhiệt độ

- Lựa chọn mảnh phổ phân tích

2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình tách chiết (xử lý mẫu)

- Lựa chọn dung môi và thời gian chiết mẫu

- Ảnh hưởng của thành phần nền mẫu: pH, ion tự do, cỡ hạt, chất hữu cơ

và giới hạn phát hiện, định lượng của phương pháp

Đánh giá thông qua phân tích mẫu thực tế

2.4

Áp dụng qui trình đã xây dựng để phân tích 30 mẫu đất trồng lúa và trồng rau được lấy ở Nam Định, Nghệ an, Hà Nội với đặc điểm pH, ion trao đổi và chất hữu cơ khác nhau Kết quả cũng được

so sánh với 04 phòng thí nghiệm phân tích tại Việt Nam và Hàn Quốc

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện vận hành thiết bị sắc ký 3.1

khí khối phổ (GC-MS)

3.1.1 Lựa chọn nhiệt độ cổng bơm mẫu và tốc độ bơm mẫu

Với chế độ bơm mẫu chậm, độ nhạy của tất cả các HCBVTV khảo sát đều thấp hơn 50% so với chế độ bơm mẫu nhanh và trung bình Ngoài ra, độ ổn định cũng không cao, hầu hết %RSD > 30%

Độ nhạy đã được cải thiện đáng kể và cũng không có sự khác biệt lớn giữa 2 chế độ bơm mẫu nhanh và trung bình Tuy nhiên, chế độ bơm mẫu nhanh ổn định hơn, %RSD đều < 10% ở tất

cả các nhiệt độ khảo sát

Cũng có thể nhận thấy, độ nhạy các chất tương đối đồng đều tại các nhiệt độ khác nhau và đạt cực đại tại 2600C (ngoại trừ permethrine tại 2100

C) Tuy nhiên, tại nhiệt độ 2600C và ở chế độ bơm mẫu nhanh có độ ổn định cao nhất với độ lệch chuẩn tương đối

%RSD trong khoảng 2-4%

Từ các kết quả nghiên cứu cho thấy, nhiệt độ cổng bơm mẫu tối ưu cho phân tích các hóa chất BVTV là 260 oC và tốc độ bơm mẫu đặt ở chế độ “Fast”

3.1.2 Thể tích bơm mẫu và tốc độ khí mang

Ảnh hưởng của tốc độ khí mang tuân theo phương trình van Deemter Theo kết quả tính toán, thể tích bơm mẫu thích hợp đối với MeCN từ 1,0 đến 1,2 L Từ tính toán lý thuyết trên, kết hợp với tốc

độ khí mang tiến hành thực nghiệm tìm ra thể tích bơm mẫu 1,0 L

và tốc độ khí mang 1.7 mL/phút là phù hợp cho việc phân tích các hóa chất BVTV

300oC trong 5 phút.

Hình 3.9 Sắc đồ hỗn hợp chuẩn theo chương trình nhiệt độ thiết lập

50 100 150 200 250 300 350

0 5 10 15 20 25 30 35

Chương trình 1 Chương trình 2 Chương trình 3 Chương trình 4 Chương trình 5 Chương trình 6

Terbufos & Quintozene

Diazinon, Etrimfos & BHC-delta

Chlorpyrifos, Fenthion & Parathion

Fludioxonil & Isoprothiolane

pp’-DDE, Oxadiazone & op-DDD

pp’-DDD, op-DDT & Ethion

Hình 3.10 Độ phân giải của một số hóa chất BVTV theo các chương trình nhiệt độ

3.1.4 Lựa chọn mảnh phân tách

Việc lựa chọn mảnh phân tách chính cho định lượng dựa trên các tiêu chí ưu tiên sau:

 Mảnh phân tách chính của hóa chất BVTV (M+: Mother ion);

 Nếu không có mảnh phân tách chính, lựa chọn mảnh phân tách

có tín hiệu cao nhất Ưu tiên lựa chọn mảnh phân tách có m/z lớn hơn 100 để tránh ảnh hưởng của mảnh tạo thành do dung môi;

 Tránh sử dụng mảnh tạo thành giống nhau của các hóa chất BVTV có thời gian rửa giải liền kề

Trên cơ sở các sắc đồ khối thu được, các mảnh phân tách chính và mảnh phân tách phụ đã được thiết lập

Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình tách chiết (xử lý mẫu)

3.2

3.2.1 Lựa chọn dung môi chiết

Bảng 3.6 cho thấy: MeCN có độ thu hồi và độ lặp lại tốt nhất trong số các dung môi nghiên cứu và được sử dụng là dung môi cho công tác chiết mẫu

Bảng 3.6 Độ thu hồi, độ lệch chuẩn của các hoá chất BVTV theo

các dung môi chiết khác nhau

Dung môi Độ thu hồi (%) RSD (%)

3.2.2 Lựa chọn thời gian chiết mẫu

Thời gian chiết mẫu 1 phút, 3 phút, 5 phút, 10 phút và 20 phút theo kỹ thuật QuEChERS đã được nghiên cứu, khảo sát Kết quả cho thấy thời gian chiết mẫu 3 – 5 phút phù hợp nhất (bảng 3.8)

Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả của ảnh hưởng thời gian chiết mẫu

Thời gian chiết

Hình 3.14 Hiệu quả loại bỏ các chất ảnh hưởng bởi các chất hấp

phụ (a) florisil; (b) C18; (c) PSA; và (d) GCB

Kết quả thực nghiệm (hình 3.14) cho thấy, florisil, C18, PSA với hàm lượng 20 mg/mL và GCB với hàm lượng 10 mg/L đều có khả năng làm sạch

Hình 3.16 Sắc đồ mẫu đất được làm sạch bởi các chất hấp phụ

khác nhau

Tuy nhiên, khi quan sát đường nền cũng như cường độ các tạp chất trong sắc đồ (hình 3.16), có thể nhận thấy:

- Với florisil: đường nền dâng lên đến 150.000 và đến phút thứ 18 mới giảm về đường nền cơ sở Tạp chất còn rất nhiều với cường độ cao

- Với C18 và GCB: đường nền dâng lên đến 100.000 và sau

11 phút mới giảm về đường nền cơ sở

- Với PSA: đường nền chỉ dâng lên 60.000 giảm về đường nền cơ sở (50.000) sau 8 phút

Do đó, chất hấp phụ được lựa chọn cho quá trình làm sạch các HCBVTV trong mẫu đất là PSA (500mg) và GCB (10mg)

3.2.4 Ảnh hưởng của thành phần nền mẫu

- Ảnh hưởng của pH:

pH có thể ảnh hưởng đến tính chất hóa lý của hóa chất BVTV cũng như đến hiệu quả chiết mẫu Với đất trồng trọt, canh tác,

pH đất dao động trong khoảng 5,5 – 8,5

Kết quả thực nghiệm cho thấy pH từ 5 đến 9 có ảnh hưởng không rõ rệt tới quá trình chiết tách Độ thu hồi không sai khác nhiều

và trong khoảng 75 – 110% với % RSD dao động từ 1 – 18%

- Ảnh hưởng của ion tự do

Các ion tự do làm tăng mức độ ion của hỗn hợp giúp quá chiết HCBVTV được dễ dàng hơn Tuy nhiên, một số kim loại có khả năng tạo phức như Co, Cd và Cu sẽ làm giảm khả năng tách chiết một số HCBVTV có độ phân cực cao

Các nghiên cứu với hàm lượng Cu 1000 mg/kg cho thấy không gây ảnh hưởng tới quá trình chiết tách các hóa chất BVTV trong đất Độ thu hồi dao động từ 69 – 110% với % RSD từ 1 – 17%

- Ảnh hưởng của cỡ hạt mẫu và hàm lượng chất hữu cơ:

Các nghiên cứu tiến hành với mẫu có hạt thô (< 2mm), hạt mịn (< 0,05 mm) và hàm lượng chất hữu cơ (10%) cho thấy: mẫu được nghiền qua rây 2 mm và hàm lượng chất hữu cơ không vượt quá 10% sẽ không ảnh hưởng tới hiệu suất chiết tách mẫu

Xây dựng qui trình phân tích

3.3

3.3.1 Qui trình chuẩn bị mẫu

Công tác chuẩn bị mẫu được thể hiện tóm tắt trong hình 3.18

Hình 3.18 Sơ đồ qui trình chuẩn bị mẫu

3.3.2 Qui trình phân tích trên thiết bị

a) Các điều kiện cho GC

Nhiệt độ cổng bơm mẫu: 260 o

10ml MeCN Lắc trong 3 phút

Ly tâm 4.000 vòng/phút trong 5 phút

150mg MgSO4, 50mg PSA, 10mg GCB Lắc 30 giây

Ly tâm 4.000 vòng/phút trong 5 phút

Chương trình nhiệt độ của lò GC: nhiệt độ ban đầu 60oC, giữ trong 1 phút; từ 60oC đến 180oC, mỗi phút tăng 20oC; từ 180oC đến

190oC, mỗi phút tăng 10oC; từ 190oC đến 240oC, mỗi phút tăng 3o

C;

từ 240oC đến 300oC, mỗi phút tăng 10oC và giữ ở 300o

C trong 5 phút

Chế độ lấy mẫu: chế độ splitless với thời gian lấy mẫu là 1 phút

b) Các điều kiện cho MS

- Nhiệt độ: nguồn ion: 200oC; bộ liên kết (interface) giữa hệ thống sắc kí khí và MS: 280oC

- Ở chế độ Scan, m/z bắt đầu từ 50, m/z kết thúc là 700 với tốc độ

3.4.1 Xác định độ thu hồi của phương pháp

10 gam đất (không chứa hóa chất BVTV) được nghiền đến

cỡ hạt 2 mm, thêm chuẩn để đạt nồng độ 50, 100 và 500 ug/kg Kết quả cho thấy % độ thu hồi của các hóa chất bảo vệ thực vật nghiên cứu đều trong khoảng 73 – 115% (n=5) Không có nhiều khác biệt về

độ thu hồi giữa 1 lần và 2 lần chiết

3.4.2 Xác định giới hạn phát hiện của phương pháp

Mẫu đất thêm chuẩn với nồng độ 5 µg/kg và 10 µg/kg được phân tích theo qui trình đã thiết lập Từ đó xác định được giá trị S/N Dựa vào giá trị S/N để tính toán ước lượng giá trị phát hiện (LOD)

và định lượng (LOQ) của phương pháp S/N ≥ 3 sẽ là LOD và S/N ≥

10 sẽ là LOQ (bảng 3.11)