ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
o

NGUYỄN HUỲNH HIỆP Chuyên ngành: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ
Mã số: 60 44 31

PHÂN TÍCH BENENE TRONG
NƯỚC GIẢI KHÁT VÀ TÌM HIỂU
CƠ CHẾ HÌNH THÀNH BENZENE
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS-TS. CHU PHẠM NGỌC SƠN

Thành Phố Hồ Chí Minh - 2010
MỤC LỤC Trang
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ
PHẦN 1 1
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI VÀ TỔNG QUAN 1

1.4.1.3.Phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GCMS) 20
1.4.2. Phân tích định lƣợng bằng GCMS 24
1.4.2.1. Kỹ thuật quét phổ (Scan Mode): 25
1.4.2.2. Kỹ thuật chọn lọc ion (SIM Mode) 27
PHẦN 2 29
PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH LƢỢNG BENZENE TRONG NƢỚC GIẢI KHÁT-
KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỰ TẠO THÀNH BENZENE-
ĐỀ XUẤT CƠ CHẾ HÌNH THÀNH BENZENE 29
2.1. ĐỊNH LƢỢNG BENZENE TRONG NƢỚC GIẢI KHÁT 29
2.1.1. Thiết bị dụng cụ hóa chất 29
2.1.1.1. Thiết bị 29
2.1.1.2.Hóa chất 30
2.1.2. Tối ƣu hóa các thông số kỹ thuật cho hệ thống GCMS 33
2.1.2.1.Tối ưu hóa các thông số kỹ thuật cho hệ thống GC 33
2.1.2.2. Tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của hệ thống MS 35
2.1.3. Phƣơng pháp xác định benzene trong nƣớc giải khát 36
2.1.3.1.Chuẩn bị mẫu: 36
2.1.3.2. Xây dựng đường chuẩn 37
2.1.3.3. Tóm tắt dạng sơ đồ qui trình phân tích benzene bằng kỹ thuật
Headspace 38
2.1.3.4.Thứ tự tiêm mẫu phân tích benzene bằng kỹ thuật Headspace-GCMS38
2.1.3.5.Tính toán kết quả phân tích 38
2.1.4. Khảo sát các điều kiện ảnh hƣởng đến qui trình phân tích Benzene
trong nƣớc giải khát 39
2.1.4.1. Khảo sát giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng đặc trưng của
phương pháp 39
2.1.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của lượng MeOH thêm vào 41
2.1.4.3.Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ủ mẫu trong bộ tiêm mẫu
headspace 42
2.1.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ủ mẫu trong bộ tiêm mẫu

lên tốc độ phản ứng 74
2.2.2.8. Sản phẩm khác của quá trình phản ứng 75
2.2.3. Hạn chế và loại trừ khả năng hình thành benzene 79
HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ THỰC HIỆN 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
TIẾNG VIỆT 83
TIẾNG NƢỚC NGOÀI 83
PHỤ LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
o
C : Degree Celsius (độ C)
o
K : Degree Kelvin (độ K)
o
F : Degree Fahrenheit (độ F)
C
Benzene
(g/l) : Nồng độ (g/l)
CO
2
: Carbon dioxide
CuSO
4
: Copper Sulfate
C
6
H
6
: Benzene

LD
50
: Liều độc gây chết 50% quần thể
LC
50
: Nồng độ gây chết 50% quần thể
LD : Nồng độ gây chết
IARC : International Agency of Research on Cancer
LOQ : Limit of Quatitation (Giới hạn định lượng)
LOD : Limit of detection (Giới hạn phát hiện)
MS : Mass Spectrometry (Khối phổ)
mg : Milligram
mg/l : Milligram/lit
g/l : Microgram/lit
mg/m
3
: Milligram/cubic meter
MeOH : Methanol
NaOH : Sodium Hydroxide
NIST : National Institute of Standards and Technology
ppb : Part per billion (phần tỉ)
ppm : Part per million (phần triệu)
pH : Độ pH
RSD(%) : Độ lệch chuẩn tương đối
S : Diện tích peak sắc ký
S
tb
: Diện tích trung bình peak sắc ký
S
n

2
49
Bảng 2.12. Hiệu suất thu hồi phương pháp phân tích Benzene không xử lý với
NaOH 52
Bảng 2.13. Hiệu suất thu hồi phương pháp phân tích Benzene có xử lý với NaOH . 52
Bảng 2.14. Kết quả khảo sát đường chuẩn Benzene trong nước 54
Bảng 2.15. Kết quả tính toán mức độ phù hợp của nồng độ benzene từ MS-Excel . 55
Bảng 2.16. Kết quả tính toán mức độ phù hợp của nồng độ benzene từ MS-Excel 56
Bảng 2.17. Kết quả tính toán mức độ phù hợp của nồng độ benzene từ MS-Excel 56
Bảng 2.18. Kết quả tính toán mức độ phù hợp của nồng độ benzene từ MS-Excel 57
Bảng 2.19. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của pH đến sự tạo thành benzene 62
Bảng 2 20. Kết quả ảnh hưởng của nồng độ ascorbic acid lên khả năng hình thành
benzene 64
Bảng 2.21. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của nồng độ benzoic acid lên khả năng
hình thành benzene 65
Bảng 2.22. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến sự tạo thành benzene 67
Bảng 2.23. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng 68
Bảng 2.24. Ảnh hưởng của thời gian chiếu tia UV vào mẫu 69
Bảng 2.25. Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của nồng độ ion đồng (Cu
2+
) lên lượng
benzene tạo thành 71
Bảng 2.26. Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của ion đồng Cu
2+
lên tốc độ phản ứng
hình thành benzene 73
Bảng 2.27. Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của nồng độ H
2
O
2

Hình 1.12. a. Sắc đồ full scan của benzene và benzene C
6
D
6
Hình 1.12.b. Sắc đồ
full scan của benzene và benzene C
6
D
6
chọn m/z = 78; 84 25
Hình 1.13. Sắc đồ của Benzene (Scan Mode) và khối phổ Benzene từ thư viện NIST
2005 26
Hình 1.14. Sắc đồ của Benzene và Benzene-d
6
(Scan Mode ) lấy lần lượt theo ion
m/z 78 của Benzene và ion m/z 84 của Benzene-d
6
26
Hình 1.15.a. Sắc đồ SIM của Benzene và Benzene C
6
D
6
27
Hình 1 16. SIM của Benzene(m/z =78) và Benzene D
6
(m/z=84) 27
Hình 2.1. Lược đồ tóm tắt qui trình phân tích benzene bằng kỹ thuật Headspace 38
Hình 2.2. Ảnh hưởng của Methanol (MeOH) lên tín hiệu đo 42
Hình 2 3. Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ ủ mẫu 46
Hình 2.4. Không xử lý và có xử lý qui trình phân tích Benzene trong mẫu chứa CO

O
2
lên sự hình thành benzene 75
Hình 2.18. Phức EDTA với ion kim loại 78
Hình 2.19. Ảnh hưởng của sự tạo thành benzene trong sự hiện diện của ion Cu
2+
và
ligand tạo phức(EDTA) 79 Trang 1
PHẦN 1
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI VÀ TỔNG QUAN
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, với nỗ lực không ngừng, ngành thực phẩm Việt
Nam nói chung đã và đang có nhiều chuyển biến rõ rệt cả về số lượng và chất
lượng, góp phần lớn vào sự tăng trưởng và phát triển về kinh tế của cả nước nói
chung và của ngành nói riêng.
Trong giai đoạn phát triển và hội nhập kinh tế hiện nay, với thuận lợi và
thách thức đan xen vào nhau, một trong những điều kiện của phát triển bền vững là
thực phẩm phải đạt yêu cầu cả về lượng và chất, đặc biệt quan trọng là phải an toàn
cho người sử dụng.
Tuy nhiên, nhìn một cách tổng quát, hiện nay việc kiểm soát vệ sinh an toàn
thực phẩm (VSATTP) chưa thật sự chủ động và đạt hiệu quả cao. Các phòng kiểm
nghiệm luôn bị động trước việc nhà sản xuất thực phẩm sử dụng tùy tiện vì mục
đích lợi nhuận hoặc do thiếu hiểu biết những hóa chất bị cấm hay cần hạn chế,
những hóa chất được phép sử dụng trong thực phẩm nhưng đã quá hạn, những hóa


1.1.1. Nguồn gốc xuất hiện
[11]

Năm 1825, benzene lần đầu tiên được nhà vật lý và hóa học người Anh
Michael Faraday cô lập khi thực hiện chưng cất khí từ dầu thô và đặt tên là
“bicarburet of hydrogene”.
Năm 1933, August Wilhelm Hofmann (nhà hóa học người Đức), qua chưng cất
nhựa benzoin trộn với calcium oxide đã thu được hợp chất tương tự và đặt tên là
bezoin. Sau đó hóa chất được gọi là benzine. Tuy nhiên, tên gọi này không được
chấp nhận vì có khả năng gây lẫn lộn với tên của họ alkaloid, ví dụ như quinine.
Năm 1836, Auguste Laurent, (nhà hóa học người Pháp) cũng phát hiện ra
một chất khí có khả năng thắp sáng và đặt tên là pheno theo tiếng Hy Lạp là
phanein có nghĩa là sáng chói. Tên này không được thừa nhận nhưng sau này gốc
C
6
H
5
từ benzene được gọi là phenyl.
Ngoài ra một số cách gọi tên khác được chấp nhận như benzol (tiếng Đức);
benzene (tiếng Pháp và tiếng Anh).

Trang 3
1.1.2. Công thức hóa học và tính chất của benzene
[8],[9],[11],[15],[16]

1.1.2.1.Cấu trúc của benzene

- Áp suất hơi ở 20
o
C : 9,95kPa
- Là chất lỏng trong, không màu ở nhiệt độ phòng, có vị ngọt, khả năng
bắt cháy cao
- Tan ít trong nước : 0,8 g/lít ở 25
o
C.
- Benzene tan trong hầu hết dung môi hữu cơ, carbon disulfide, acid acetic
đậm đặc và dầu.
- Độ nhớt : 0,652 cP ở 20 °C
- Giới hạn nổ trong không khí : 1,4-7,1 %

Trang 4
- Benzene tồn tại trong không khí chủ yếu pha hơi. Nồng độ của benzene
trong không khí phụ thuộc vào điều kiện môi trường khí hậu và mức độ ô
nhiễm.
1.1.3. Nguồn benzene
[12],[17]
Từ công nghiệp:
- Là thành phần tự nhiên trong dầu thô và dầu hỏa. Benzene chiếm khoảng
1 - 4% về thể tích và được sử dụng cho tổng hợp ethylbenzene, phenol,
cyclohexane và một số hợp chất thơm khác.
- Benzene được sinh ra từ những lò đốt than.
Từ những nguồn ô nhiễm khác:
- Hàm lượng benzene trong môi trường không khí tăng lên chủ yếu do
hoạt động của con người: khói thải từ thuốc lá, nhiên liệu từ động cơ xe,

50
, LC
50
, LD của benzene một số thí nghiệm trên chuột
Thử nghiệm
Vật thí nghiệm
LD
50

LC
50

LD
Đơn vị/thể trọng
Đường miệng (Oral)
chuột (14 ngày tuổi)
3000 mg/kg
chuột (nhỏ)
3300 mg/kg
chuột (trưởng thành)
4900 mg/kg

Injection)
chuột (rat)
2940 mg/kg
chuột (mouse)
300 mg/kg

Cách qui đổi đơn vị:
1 ppm = 3,2 mg/m
3

1 mg/m
3
= 0,31 ppm
Công thức chuyển đổi dựa trên điều kiện nhiệt độ là 25
o
C, áp suất 1 atm.

KKmollatm
atmmolgMppmX
mmgY
oo
w
298*)/(082.0
)(1*)/(*)(

(Oral)
LC50
(qua hô hấp)
(Inhalation)
LD50
(qua da)
(Dermal)
Dự đoán
Vật thí nghiệm
Chuột
Chuột
Thỏ
Người
Mức độ độc
mg/kg
ppm
tiếp xúc 4 giờ
mg/kg
Liều lượng
1
Cực kỳ độc
≤ 1
≤ 10
≤ 5
1giọt
2
Độc tính cao
1-50
10-100
5-43

khí vào cơ thể người và động vật.
Nhiều kết quả nghiên cứu về hô hấp trên người cho thấy: trong môi trường
có nồng độ benzene 160 đến 320 mg/m
3
(tương đương 50 đến 100 ppm) thì 30%
đến 50% được giữ lại khi hít vào. Benzene đi vào cơ thể và những mô nhiều béo,
tủy xương và nước tiểu là nơi chứa nhiều benzene nhất, cao hơn trong máu khoảng
20 lần.
Triệu chứng cấp tính:
Việc tiếp xúc với benzene có ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe. Hít thở
trong điều kiện môi trường không khí ô nhiễm với nồng độ benzene cao trên
65000mg/m
3
có thể làm tim ngừng đập, gây chết nhanh và đột ngột trong vài phút.
Với môi trường không khí có nồng độ benzene thấp 20000-30000 mg/m
3
có thể gây
ra một số triệu chứng như ngủ gật, chóng mặt, choáng váng, rùng mình, tim đập
nhanh, rối loạn thần kinh hoặc bất tỉnh.

Trang 7
Ăn hoặc uống thực phẩm nhiễm hàm lượng benzene lớn có thể gây ói, đau
bao tử, choáng váng, buồn ngủ, ngủ gật, rối loạn và tử vong.
Bên cạnh đó, benzene cũng cho thấy tác động mãn tính với mức độ độc cực
cao.
Triệu chứng mãn tính:
Khi vào máu, benzene có thể gây ra các bệnh kinh niên, mãn tính…

Nhiều trường hợp tử vong vì bệnh bạch cầu xảy ra trên những người làm việc và
tiếp xúc benzene ở mức độ cao.
Nghiên cứu tác động của benzene trên động vật trong quá trình mang thai,
nếu cho tiếp xúc hoặc ngửi nhiều benzene thì con sinh ra bị thiếu cân, xương chậm
phát triển, hoặc sự phát triển bất thường ở xương tủy.
Nghiên cứu tác động của benzene trên người cho thấy, phụ nữ tiếp xúc nhiều
với benzene hoặc trong môi trường có nồng độ benzene cao có chu kỳ kinh nguyệt
không đều và bất thường, giảm khả năng rụng trứng, giảm kích thước buồng trứng.
Tuy vậy, người ta vẫn chưa biết benzene ảnh hưởng như thế nào lên quá trình
phát triển quái thai trong quá trình mang thai ở phụ nữ và vô sinh ở nam giới.
Nồng độ benzene trong không khí giảm xuống do phản ứng với các gốc tự do
như hydroxy, alkoxy, peroxy, ôxi nguyên tử hay ozone. Sản phẩm chủ yếu của quá
trình này là phenol, nitrobenzene, nitrophenol, các hợp chất dicarbonyl mở vòng
khác.
Benzene trong nước mặt và nước ngầm giảm xuống do vi sinh trong cả điều
kiện hiếu khí và kị khí. Trong cả hai điều kiện này, benzene giảm xuống do sự tạo
thành hai sản phẩm chủ yếu là catechol và cis-1,2-dihydroxy- 1,2-dihydrobenzene.
1.1.5. Ứng dụng của benzene
[12],[14]

Benzene là một hợp chất tự nhiên trong dầu thô nên nó giữ vai trò quan trọng
trong ngành công nghiệp nhiên liệu chất đốt, là phụ gia anti-knocking rất hiệu quả
cho động cơ xe (trước đây), đồng thời làm tăng chỉ số octane cho nhiên liệu.
Là nguồn nguyên liệu quan cực kỳ trọng các ngành công nghiệp khác đặc
biệt như sản xuất polymer, chế tạo bột giặt, xà phòng, mực in, thuốc nhuộm, dầu
nhờn, thuốc trừ sâu, dược phẩm…

Trang 9
al. 1993; Chang and Ku 1993; Barshick et al. 1995), benzene hình thành là do sự
khử nhóm COO
-
của sodium benzoate hoặc nhóm COOH của benzoic acid dưới sự
hiện diện của vitamin C (ascorbic acid) có trong nước giải khát.
1.1.6.1.Sơ lược về sodium benzoate
- Là muối natri của acid benzoic và tồn tại ở dạng này khi hòa tan vào
nước.
- Trong tự nhiên, có thể tìm thấy ở cây quất, mận đỏ, mận xanh, cây quế,
đinh hương, táo… Trong một số loại trái cây nồng độ benzoate chiếm xấp xỉ nồng
độ cho phép theo tiêu chuẩn của Mỹ (0.1%).
- Nồng độ benzoate cho phép trong thực phẩm theo tiêu chuẩn Việt Nam
là không vượt quá 1g/kg.
- Trong ngành công nghiệp thực phẩm, sodium benzoate được sử dụng
làm chất bảo quản vì có hoạt tính kháng khuẩn và nấm mốc trong môi trường acid
(pH < 7) và được sử dụng nhiều nhất trong nhiều loại thực phẩm có tính acid như
salad trộn giấm, nước uống có CO
2
, mức, nước trái cây, syrô…Khi sử dụng sodium
benzoate trong thực phẩm người ta phải khai báo trên nhãn và ký hiệu bắt buộc đối
với nó là E 211.
Công thức phân tử

Hình 1.3. Công thức phân tử của Sodium Benzoate
Tên theo UPAC : Sodium Bennzoate
Công thức phân tử : NaC
6
H
5
CO

Độ tan trong nước : 33 g/100 ml
- Ascorbic acid bị ôxi hóa nên được sử dụng làm chất bảo quản chống ôxi
hóa. Vì nhạy với nhiệt, ánh sáng, ôxi nên ascorbic aicd phải được bảo quản trong lọ
kín, tránh tiếp xúc với ánh sáng và vật chứa không phải là kim loại.
- Dạng muối của ascorbic acid như sodium, potasium, calcium ascorbate
được sử dụng làm chất bảo quản chống ôxi hóa. Vì những dạng này tan trong nước
nên chúng không có tác dụng bảo vệ acid béo khỏi bị ôxi hóa. Người ta sử dụng
ester của ascorbic acid gắn với mạch hữu cơ dài như ascorbyl palmitate hay
ascorbyl stearate như là chất bảo quản trong thực phẩm.
- Theo chương trình quốc tế về an toàn hóa học (The International
Programme on Chemical Safety), hàm lượng ascorbic trong thực phẩm được phép
sử dụng ở mức an toàn cho người là 647-825 mg trên một kg thể trọng.

Trang 12
- Đây là hai thành phần được sử dụng rộng rãi trên thị trường, cho nhiều
chủng loại sản phẩm, thực phẩm…
1.2. TÌNH HÌNH NHIỄM BENZENE TRONG NƢỚC GIẢI KHÁT
[18],[23],[31],[32],[33],[34],[35],[36],[37]

Theo báo cáo nghiên cứu ở thập niên 90 thế kỷ trước về mức độ không an
toàn của benzene trong nước uống ở Hoa Kỳ, cơ quan an toàn về thuốc và thực
phẩm (Food and Drug Administratives viết tắt là FDA) xác nhận rằng có sự hình
thành benzene trong nước ngọt khi sử dụng vitamin C và chất bảo quản sodium
benzoate.
Tháng 12 năm 2005, cơ quan đánh giá rủi ro của cộng hòa liên bang Đức
(Germany's Federal Institute for Risk Assessment) đã xuất bản tạp chí nói về sự hình
thành benzene trong nước giải khát.

- 10 µg/L theo tiêu chuẩn Việt Nam (Tiêu chuẩn Vệ sinh nước ăn uống
kèm theo QĐ Bộ trưởng Bộ Y tế số 1329/2002/BYT/QĐ ngày
18/4/2002, Tiêu chuẩn TCVN 5502:2003 về nước cấp sinh hoạt).

Trang 14
1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH LƢỢNG BENZENE TRONG NƢỚC
GIẢI KHÁT
[19],[25],[33],[36],[39]

Tùy thuộc vào vào tính chất mẫu, yêu cầu, mục đích và điều kiện trang thiết
bị mà có thể áp dụng các phương pháp sắc ký lỏng đầu dò UV-VIS, sắc ký khí-
purge trap, sắc ký khí-headspace, sắc ký khí-purge trap ghép khối phổ, sắc ký khí-
headspace ghép khối phổ để định lượng benzene.
Tuy nhiên, theo yêu cầu giới hạn phát hiện phải đạt được của tiêu chuẩn về
nước uống của Việt nam cũng như của thế giới (như đã giới thiệu ở trên) nên chúng
tôi chỉ đề cập đến phương pháp phù hợp, đáp ứng khả năng phân tích vết benzene
trong nước giải khát.
1.3.1. Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao đầu dò UV-VIS
1.3.1.1.Nguyên lý của phương pháp
Benzene tách khỏi các thành phần khác khi qua cột sắc ký lỏng pha đảo
(Reverse phase C8 Cartridge) và định lượng tại bước sóng λ = 204 nm với đầu dò
UV-VIS.
1.3.1.2. Nhược điểm của phương pháp
Có thể dùng để xác định benzene có hàm lượng tương đối thấp nhưng chịu
ảnh hưởng nền rất lớn vì tiêm trực tiếp nền mẫu nước giải khát vào thiết bị.
1.3.2. Phƣơng pháp sắc ký khí ghép khối phổ–kỹ thuật Headspace
1.3.2.1.Nguyên lý của phương pháp