Nghiên cứu điều kiện phân tích các hợp chất
cơ clo PCB trong mẫu môi trường bằng
phương pháp GC-MS Lê Bảo Hưng Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sĩ ngành: Hóa phân tích; Mã số: 60 44 29
Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn Ri
Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Tối ưu các điều kiện phân tích 12 đồng loại WHO-PCB trên thiết bị
GC/MS: Khảo sát trên các cột mao quản, Chọn chương trình nhiệt độ. Khảo sát và
xây dựng qui trình tách chiết, làm sạch, làm giàu 12 WHO- PCB trong các mẫu đất,
trầm tích, nước: Khảo sát dung môi chiết mẫu nước, mẫu đất, trầm tích; Khảo sát
quy trình làm sạch, làm giàu mẫu trên các cột hấp phụ. Điều kiện định lượng: Khảo
sát khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng; Đánh giá độ đúng,
độ lặp của phương pháp thông qua việc phân tích các mẫu trắng, mẫu thêm. Phân
tích một số mẫu thực, đánh giá khả năng áp dụng của phương pháp: Phân tích mẫu
đất, trầm tích; So sánh phương pháp qua phân tích mẫu thử liên phòng.

Keywords. Hóa phân tích; Hợp chất cơ Clo; Phương pháp GC-MS

Content

Các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (Persistent Organic Pollutants - POPs) là các
hóa chất độc hại bền vững trong môi trường, có khả năng phát tán rộng, tích tụ sinh học cao

Trong những nghiên cứu chuyên sâu, việc làm rõ nguồn gốc và phân bố PCB; cơ chế
chuyển hóa của PCB; xu hướng hình thành, lắng đọng PCB trong trầm tích; đánh giá mức
rủi do về sinh thái thì việc xác định nồng độ 12 WHO- PCB luôn được đặt ra. Người ta đã
tìm thấy mối tương quan có nghĩa giữa nhóm penta-PCB đồng phẳng với nhóm
pentaclodibenzo furan trong phân bố của các PCB đồng phẳng ở pha khí và dạng hạt trong
khí quyển [11]; các PCB không có nhóm thế clo ở vị trí ortho (PCB 81, PCB 77, PCB 126,
PCB 169) được hình thành trong quá trình đốt chất thải thành phố [40].
Do vậy, việc nghiên cứu sự phân bố hàm lượng của 12 WHO-PCB trong môi trường
và đưa ra một quy trình phân tích hiệu quả, phù hợp với điều kiện trang thiết bị phòng thí
nghiệm của Việt Nam để phân tích 12 WHO-PCB này trong mẫu đất, trầm tích, nước là cần
thiết và có ý nghĩa.
Xuất phát từ mục tiêu đó, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu điều kiện phân tích 12
WHO-PCB trong mẫu môi trường bằng phương pháp sắc ký khí - khối phổ (GC/MS) với độ
chính xác cao, độ lặp tốt. Áp dụng các kết quả nghiên cứu thu được để xác định hàm lượng
các đồng loại WHO-PCB trong mẫu môi trường.
Policlobiphenyl (PCB) là hợp chất hữu cơ tổng hợp thuộc nhóm các chất gây ô nhiễm
hữu cơ khó phân hủy (POPs). Vì PCB có từ 1 đến 10 nguyên tử clo trong phân tử nên PCB có
tất cả 10 đồng đẳng. Mỗi đồng đẳng có một số xác định các đồng phân, sự khác nhau giữa vị
trí thế của các nguyên tử clo trong vòng biphenyl tạo nên 209 chất đồng loại PCB có công
thức cấu tạo chung như hình dưới đây C
12
H
10-n-m
Cl
n+m
( 1 ≤ m+n ≤ 10)


học, sinh học và bằng các quá trình nhiệt. Do tính bền nhiệt cao nên các quá trình biến đổi
PCB rất khó khăn đòi hỏi phải ở nhiệt độ cao hoặc có chất xúc tác đặc biệt.
Do các tính chất hóa học rất đặc biệt nên PCB được sử dụng rất rộng rãi trong thời
gian dài ở nhiều ngành công nghiệp. Đây là nguyên nhân làm cho PCB phát tán, tích lũy
trong môi trường trở thành một tác nhân gây ô nhiễm nguy hiểm đối với môi trường và sức
khỏe con người. Sự quản lý chất thải PCB không đúng cách dẫn tới ô nhiễm PCB nghiêm trọng
với môi trường toàn cầu [19], [23].
PCB phát tán vào môi trường qua nhiều con đường khác nhau. Chúng có thể bị phát
tán vào môi trường do sự vận chuyển PCB, do những sự cố rò rỉ, tràn hóa chất hoặc do cố
tình thải loại PCB vào môi trường vì thiếu hiểu biết về tính độc hại của PCB đối với môi
trường, con người và động vật [9], [11].
Sự di chuyển PCB trong không khí là quan trọng nhất do sự phát tán toàn cầu của PCB.
Chúng đi vào không khí do sự bay hơi bề mặt của cả đất và nước. Trong không khí, PCB có
thể bị phát thải đi rất xa và nó đã được tìm thấy trong tuyết và nước biển ở những nơi rất xa
so với nơi chúng phát thải vào môi trường như ở Bắc Cực. PCB ở trong không khí có thể tồn
tại ở dạng hơi hoặc hấp phụ vào các hạt rắn lơ lửng sau đó chúng quay trở lại đất nước bở sự
lắng đọng qua bụi, mưa và tuyết. Trong nước, PCB có thể được di chuyển bởi dòng nước,
lắng xuống trầm tích hoặc các phần tử lơ lửng trong nước và bay hơi vào không khí [7], [19].
Quá trình phân bố PCB trong môi trường được quyết định bởi bản thân các đồng loại
PCB. Do PCB có tính tương thích với các hợp chất hữu cơ nên PCB sẽ tập trung vào nơi có
hàm lượng chất hữu cơ cao. Đặc biệt, hàm lượng clo trong PCB càng cao thì chúng càng dễ
được phân bố vào trong đất, trầm tích, chất hữu cơ. Trái lại, những PCB có hàm lượng clo
thấp lại dễ bay hơi nên chúng dễ dàng khuyếch tán vào trong khí quyển.
Mặt khác, do PCB tan ít trong nước nên hàm lượng PCB trong nước không cao. Vì vậy,
trong môi trường PCB sẽ phân tán vào trong đất và trầm tích với hàm lượng tương đối cao và
chủ yếu là các PCB có hàm lượng clo cao, trong không khí thì chủ yếu là các PCB có hàm
lượng clo thấp, trong nước thì hàm lượng PCB sẽ thấp hơn [8], [9].
Các PCB trong môi trường sẽ đi vào cơ thể bởi sự tích lũy sinh học. Khả năng tích lũy
sinh học của PCB tăng cùng với sự tăng hàm lượng clo trong phân tử và tính tan trong nước
thấp. Các PCB có hàm lượng nguyên tử clo thấp (1-4 nguyên tử clo) được tích lũy sinh học

So sánh phương pháp qua phân tích mẫu thử liên phòng
Phương pháp tách chiết và làm giàu PCB
Trong phân tích các hợp chất hữu cơ nói chung và PCB nói riêng, giai đoạn tách
chiết, làm sạch, làm giàu mẫu phân tích luôn được đề cao, đóng vai trò quyết định và đòi hỏi
người phân tích cần lựa chọn, đưa ra những phương pháp phù hợp nhất. Có nhiều cách để
tách chiết các hợp chất PCB ra khỏi nền mẫu môi trường. Hiện nay, một số kỹ thuật đang sử
dụng chiết soxlet; chiết siêu âm; chiết vi sóng (MAE); chiết siêu tới hạn (SFE); chiết dung
môi liên tục (ASE); chiết lỏng-lỏng (LLE) Mẫu sau khi chiết được làm sạch và tách phân
đoạn trên các cột hấp phụ dạng thương phẩm hoặc cột nhồi như florisil, silicagel, than hoạt
tính, nhôm ôxít. Tùy thuộc vào loại và lượng mẫu khác nhau mà lựa chọn các kỹ thuật chiết,
làm sạch mẫu cho phù hợp và hiệu quả.
 Phương pháp tách chiết, làm giàu PCB trong mẫu đất, trầm tích
Chiết soxlet được sử dụng để tách lượng vết các đồng loại PCB trong nền mẫu đất, trầm
tích. Sử dụng 100 - 200 ml các dung môi n-hexan, toluen để chiết PCB trong 10 - 100 g mẫu
đất, trầm tích. Dung môi chiết được làm bay hơi, ngưng tụ, lọc thấm qua mẫu, hoàn tan chất
phân tích, chảy tràn xuống bình chứa mẫu tuần hoàn theo chu kỳ. Các chất phân tích trong
mẫu sẽ được chiết sang pha hữu cơ. Thiết bị chiết soxhlet bao gồm: bếp gia nhiệt, bình cầu
chứa dung môi và dịch chiết, ống chứa mẫu và sinh hàn. Mẫu được gói bằng giấy lọc và đặt
vào trong ống chứa mẫu.
Dịch chiết được làm sạch sơ bộ bằng H
2
SO
4,
KOH, làm sạch và tách phân đoạn trên
cột silicagel được kiềm hóa, axít hóa, cột than hoạt tính; cột ôxít nhôm; làm bay hơi dung môi
đến thể tích định mức và định lượng bằng phương pháp phân tích phù hợp.
 Phương pháp tách chiết, làm giàu PCB trong mẫu nước
Hiện nay, trong phân tích dịch vụ, các phòng thí nghiệm thường sử dụng phương pháp
chiết lỏng-lỏng (LLE) dựa trên sự phân bố khác nhau của các chất tan vào hai pha không trộn
lẫn, từ đó tách chất phân tích ra khỏi nền. Cân bằng chiết đạt được nhanh và thuận nghịch, sự

diclometan và tiến hành tách chiết mẫu bằng kỹ thuật chiết lỏng-lỏng với mẫu nước, chiết
soxlet với mẫu đất, trầm tích.
 Làm sạch, làm giàu dịch chiết trên cột hấp phụ
- Dùng H
2
SO
4
96%, NaCl 5%, KOH 17% làm sạch sơ bộ dịch chiết mẫu.
- Dùng cột “đa lớp”: Na
2
SO
4
khan/ SiO
2
tẩm KOH/ 3 lớp (Na
2
SO
4
/ SiO
2
tẩm H
2
SO
4
)
với dung môi rửa giải n-hexan.
- Dùng cột nhôm ôxít để tách phân đoạn 12 đồng loại WHO-PCB bằng hỗn hợp
hexan:diclometan (95:5).
Tối ưu hóa lượng chất hấp phụ, chúng tôi khảo sát ở các mức khối lượng nhôm ôxít lần
lượt là 3 g, 4 g, 6 g, 8g.

o
C, giữ ở nhiệt độ 320
o
C cho
đến kết thúc.
Các thông số khối phổ:
 Nhiệt độ bộ phận ghép nối sắc kí khí-khối phổ (interface): 290
o
C.
 Phương pháp quét lựa chọn ion (SIM) để ghi tín hiệu các ion đặc trưng của PCB.
 Kiểu ion hóa: EI
 Thế detector: 70 eV
Sau khi lựa chọn tối ưu các điều kiện phân tích sắc kí, mẫu nghiên cứu được bơm vào
thiết bị theo các điều kiện trên. Các mảnh ion đặc trưng được lựa chọn trên cơ sở tham khảo
thư viện phổ cấu trúc. Phương pháp quét lựa chọn ion ghi tín hiệu các ion đặc trưng, có thể
phát hiện được những ion này ngay khi ở nồng độ rất thấp và thu được phổ khối các ion chọn
lọc này.
Chọn được các điều kiện phù hợp để phân tích 12 WHO-PCB trên thiết bị sắc kí khí-
khối phổ. Độ phân giải của cột sắc ký được phân tách hoàn toàn.
Đã xây dựng được đường chuẩn với 12 chất đồng loại WHO-PCB trong khoảng nồng
độ khảo sát từ 0,1 đến 4,0 µg/ml, do vậy đó cũng chính là đường chuẩn của các đồng loại
PCB 77, 81, 105, 114, 118, 123, 156, 157, 167, 169, 189. Các đường chuẩn xây dựng được
đều có hệ số tương quan r > 0,997.
Giới hạn phát hiện 12 đồng loại WHO-PCB đối với đất trầm tích từ 1,6 đến 5,0 pg/g;
với mẫu nước từ 8 đến 20 pg/l.
2. Đã chọn được dung môi thích hợp, tìm được điều kiện chiết phù hợp để tách chiết 12
chất đồng loại WHO-PCB từ mẫu đất, trầm tích, nước:
- Mẫu đất, trầm tích: chiết soxlet 20 g mẫu trong 10 giờ bằng 130 ml toluen.
- Mẫu nước: sử dụng thiết bị khuấy đồng thể chiết 4 lít mẫu bằng 3 lần, mỗi lần 150 ml
diclometan trong thời gian khuấy 5 phút, tốc độ khuấy 8000 vòng/phút.

2
O
3
trung tính đã hoạt hóa/
Na
2
SO
4
khan (1 cm) để tách phân đoạn 12 đồng loại WHO-PCB bằng 30 ml hỗn hợp
hexan:diclometan (95:5).
4. Đã đánh giá, kiểm tra quy trình phân tích 12 WHO-PCB trong mẫu đất, trầm tích,
nước. Độ lệch chuẩn tương đối RSD < 15% đối với mẫu đất, trầm tích và giá trị RSD < 8%
đối với mẫu nước. Hiệu suất thu hồi nằm trong khoảng từ 83,9 đến 92,6% với mẫu đất trầm
tích; từ 86,9 đến 93,1% với mẫu nước.
Phân tích thống kê so sánh kết quả phân tích 02 mẫu thử liên phòng quốc tế theo
phương pháp đã xây dựng một lần nữa khẳng định quy trình trong nghiên cứu này có độ
đúng, độ lặp tốt và hoàn toàn tin cậy được. Như vậy, quy trình xây dựng được đã đáp ứng
hoàn toàn các yêu cầu của phương pháp phân tích 12 WHO-PCB trong mẫu đất, trầm tích,
nước.
5. Áp dụng quy trình đã xây dựng xác định hàm lượng 12 đồng loại WHO-PCB trong
một số mẫu môi trường. References

Tiếng Việt
1. Dương Hồng Anh và cs (2010), “Quy trình xử lý mẫu để phân tích các nhóm chất ô
nhiễm hữu cơ khó phân hủy, thuốc trừ sâu cơ clo và hydrocacbon đa vòng thơm)
trong mẫu trầm tích bằng phương pháp sắc kí khí”, Tạp chí phân tích Hóa, lý và Sinh
học, Tập 15, Số 3, tr 273-279.

Accelerated Solvent Exctraction (ASE)”, Organohalogen Compound , Vol 35, pp.17-
21.
15. Barcelo (1993) “Environmental Analysis. Technicques, Applications and Quality
Assurance”, Elsevier, Vol 13, pp. 80-105.
16. Bert van Bavel and et tal (1992) “Optimization of Selective Supercrictical Fluid
Extraction of PCDD/PCDFs and PCB from Fly Ash”, Dioxin 1992, Vol 8, pp.15-18
17. British Standard prCEN/TS 1948-4:2005. “Stationary source emissions- Determination
of the mass concentration of PCDDs/PCDFs and dioxin-like PCB- Part 4: Sampling
and analysis of dioxin-like PCB”.
18. C.A der Wit (1994) “The Swendisd Dioxin Survay: Summary of Results From
PCDD/F and Coplanar PCB Analyses in Biota”, Organohalogen Compound , Vol 20,
pp.47-50.
19. Falandysz.T and et al (1998) “PCB in a pelagic food chain in the Southern Baltic
proper”, Organohalogen Compound , Vol 39, pp.53-59.
20. Gonzálet M.J, Ramos L., Hernádez L.M (1994) “Level Variations of Coplanar PCB in
Breast Milk at different Times of Lactation”, Organohalogen Compound , Vol 21,
pp.153-159.
21. Guidance for analysis of Persistent Organic Pollutants (2006). UNEP Chemicals,
DTIE.
22. Guidance on the Global Monitoring Plan for Persistent Organic Pollutants (2007).
UNEP Chemicals.
23. Harrad.S, Currado.G (1998) “PCB Transfer from Air to Grass: Field Evaluation of
Two Mathematical Modelling Approaches” Organohalogen Compound , Vol 39,
pp.463-466.
24. http:/www.epa.gov/pcb.html
25. Jef Focant, Catherine Pirard, Anne-Cecile Massart, Gauthier Eppe, Edwin dePauw
(2004) “Measurement of Dioxin and WHO-PCBs in Foodstuffs using GCxGC-
IDTOFMS”,Organohalogen Compound, Vol 66, pp.253-258.
26. Kurokawa. Y, Nakamura, M., Takada, S., Fukamachi, K. (1994) “Distribution of
Atmospheric Coplanar PCB, PCDD/F between Vapor Phase and Particle Phase”,

Stuffs”, Organohalogen Compound , Vol 66, pp.159-163.
37. T.W.Duke and et al (1970) “Polychlorinated Biphenyl (Arochlor 1254) in water,
Sediment and Biota of Escambia Bay, Floroda, American”, Bulletein of Environment
Contamitation and Toxicology, Vol 5, No 2.
38.T.S.Kim, S.K.Shin, S.K.Jang (2002) “Method for the Analysis of Dioxin-like
Polychlorinated biphenyls (PCB) in Environmental Samples”, Organohalogen
Compound , Vol 58, pp.125-128.
39. Tukami Takasuga, Tohru Matsumura, Ken Shiozaki, Shin-ichi Sakai (2002)
“Determination of PCBs in Tranformer Oil and Chemically Degraded Oil by Isotope
Dilution Method with HRGC/MS: 3-Lab Intercalibration Study and Evaluation of
New Calibaration PCB Mixture”,Organohalogen Compound, Vol 59, pp.415-418.
40. Van den Berg and et al (2006) “The 2005 World Heath Organization of Human and
Mammalian Toxi Equivalency Factors of Dioxins and Dioxin-like Compounds” ,
Toxicological Sciences 2006, 93(2), pp;223-241 .
41.W.Kleibömer and at al (1992) “New method for determitation of polychlorinated
biphenyl in air samples”, Dioxin 1992, Vol 8, pp.85-87.
42. W. John and et al (2003) “Analysis of Polychlorinated Biphenyl by GC ECD”,
Organohalogen Compound , Vol 62, pp.253-261.
43. Ykonomou, M.G; Sather, P; He,T; Crewe,N; Faster,T. (1998) “Full Congeners CBs
Analysis by GC/HRMS: QA/QC Consideration”, Organohalogen Compound , Vol
35, pp.33-37.
44. Yukari Ishikawa and et al (2004) “Congener Profile of PCB and New Proposal of
Indicator Congener”, Organohalogen Compound, Vol 66, pp.525-531.
45. Yukio Noma and at al (1992) “Levels of Non-ortho and Mono-ortho PCBs in fish and
Marine Mammals from the Canadian Artcic”, Dioxin, Vol 8, pp. 329-332.
46. US.EPA method 1668B (2008) “Chlorinated biphenyl Congener in Water, Soil,
Sediment, Biosolids and Tissue by HRGC/MRMS”, U.S Environmental Protection
Agency.