BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA PHÂN TÍCH

Hà Nội, 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

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


LỜI CÁM ƠN
Với tất cả những gì sâu sắc nhất, Tôi xin đƣợc gửi lời cám ơn tới PGS. Nguyễn
Hồng Khánh, PGS. Vũ Đức Lợi, là những ngƣời Thầy, đồng thời cũng là ngƣời Chị
và ngƣời bạn đã định hƣớng, gợi mở và dẫn dắt tôi trong suốt quá trình nghiên cứu,
hoàn thiện luận án này.
Tôi cũng xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô giảng viên của Viện
Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình giảng dạy,
chia sẻ và trao cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quí báu. Chính nhờ những kiến
thức và kinh nghiệm này mà tôi đã thiết lập, tiến hành các nghiên cứu và hoàn thành
công trình của mình.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo, tập thể cán bộ của Học viện Khoa học và
Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cũng nhƣ Viện Hóa
học đã quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học
tập, nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thành Đồng, các bạn đồng nghiệp đã luôn
đồng hành, giúp đỡ và chia sẻ vất vả trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi có đƣợc
kết quả ngày hôm nay.
Tôi xin cám ơn sự hỗ trợ từ đề tài ―Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích đồng
thời dƣ lƣợng hóa chất bảo vệ thực vật (khoảng 100 chất) trong đất bằng kỹ thuật
sắc ký khí khối phổ‖ mã số 11/HĐ-ĐT.11.11/CNMT thuộc ―Chƣơng trình nghiên
cứu khoa học, ứng dụng và chuyển giao công nghệ phát triển ngành công nghiệp
môi trƣờng‖ thực hiện Đề án ―Phát triển ngành công nghiệp môi trƣờng Việt Nam
đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025" của Bộ Công Thƣơng, đã cung cấp kinh
phí, phƣơng tiện để tôi tiến hành các nghiên cứu.
Cuối cùng, với tất cả những gì yêu quí, trân trọng nhất, xin đƣợc gửi tới vợ và
những ngƣời thân trong gia đình đã luôn bên cạnh chia sẻ khó khăn, khuyến khích,
hỗ trợ và động viên tôi hoàn thành bản luận án này.

ii


1.2.2

Một số kỹ thuật phân tích định lƣợng dƣ lƣợng hoá chất BVTV .........19

1.2.3

Phƣơng pháp phân tích dƣ lƣợng hoá chất BVTV ở Việt Nam. ..........20

1.2.4

Hƣớng nghiên cứu phát triển qui trình phân tích dƣ lƣợng HCBVTV

theo phƣơng pháp QuEChERS .........................................................................23
CHƢƠNG 2

THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............25

2.1

Đối tƣợng nghiên cứu ..................................................................................25

2.2

Hoá chất và thiết bị ......................................................................................34

2.2.1

Hoá chất ................................................................................................34


So sánh, đánh giá phƣơng pháp ...................................................................38

2.6.1

Đánh giá phƣơng pháp phân tích qua mẫu đất thêm chuẩn ..................38

2.6.2

Đánh giá phƣơng pháp phân tích qua mẫu thực tế ...............................40

CHƢƠNG 3
3.1

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................41

Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện vận hành thiết bị sắc ký khí khối phổ

(GC-MS)................................................................................................................41
3.1.1

Lựa chọn nhiệt độ cổng bơm mẫu và tốc độ bơm mẫu ........................41

3.1.2

Thể tích bơm mẫu và tốc độ khí mang .................................................45

3.1.3

Chƣơng trình nhiệt độ ...........................................................................48



3.3.1

Qui trình chuẩn bị mẫu .........................................................................74

3.3.2

Qui trình phân tích trên thiết bị .............................................................75

3.4

Đánh giá phƣơng pháp.................................................................................80

3.4.1

Xác định giới hạn phát hiện và định lƣợng của phƣơng pháp ..............80

3.4.2

Xác định khoảng tuyến tính và đƣờng chuẩn của phƣơng pháp...........84

3.4.3

Xác định độ thu hồi và độ lặp lại của phƣơng pháp .............................88

3.4.4

So sánh, đánh giá phƣơng pháp thông qua phân tích mẫu thực tế .......92

KẾT LUẬN .............................................................................................................103



Hình 3.12 Độ phân cực của MeCN và một số dung môi hữu cơ ............................57
Hình 3.13 Ảnh hƣởng của thời gian chiết mẫu tới độ thu hồi của một số chất .......62
Hình 3.14. Hiệu quả loại bỏ các chất ảnh hƣởng bởi các chất hấp phụ. .................63
Hình 3.15. Ảnh hƣởng n. độ các chất hấp phụ tới quá trình làm sạch

.64

Hình 3.16. Sắc đồ mẫu đất đƣợc làm sạch bởi các chất hấp phụ khác nhau ..........66
Hình 3.17. Ảnh hƣởng của pH tới hiệu suất thu hồi ..............................................69
Hình 3.18. Qui trình chuẩn bị mẫu .........................................................................75
Hình 3.19. So sánh kết quả op-DDT trong mẫu BCT-2 ..........................................98
Hình 3.20. So sánh kết quả Cadusafos mẫu BCT-3 ................................................98
Hình 3.21. So sánh kết quả op-DDD mẫu BCT-14 .................................................99
Hình 3.22. So sánh kết quả op-DDT mẫu BCT-14 .................................................99
Hình 3.23. So sánh kết quả op-DDD mẫu BCT-15 ...............................................100
Hình 3.24. So sánh kết quả op-DDT mẫu BCT-15 ...............................................100
Hình 3.25. So sánh kết quả op-DDD mẫu BCT-16 ...............................................101
Hình 3.26. So sánh kết quả op-DDT mẫu BCT-16 ...............................................101
Hình 3.27. So sánh kết quả op-DDT mẫu BCT-25 ...............................................102

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tình hình nhập khẩu HCBVTV tại Việt Nam gần đây ...............................9
Bảng 2.1 Bảng danh mục hóa chất BVTV cho công tác nghiên cứu .......................25
Bảng 3.1 Nhiệt độ cổng bơm mẫu và tốc độ bơm mẫu ............................................42
Bảng 3.2 So sánh độ nhạy và % RSD tại điều kiện cho độ nhạy tốt nhất và tại

Acetonitrile

AED

Atomic Emission Detector (đầu dò phát xạ nguyên tử)

d- SPE

Dispersive Solid Phase Extraction (chiết pha rắn phân tán)

DAD

Diode Array Detector

DDD

Dichlorodiphenyldichloroethane

DDE

Dichlorodiphenyldichloroethylene

DDT

Dichlorodiphenyltrichloroethane

EC

Electrochemical Detector (đầu dò điện hóa)



Graphite Carbon Black

GPL

Gel Permeation Chromatography (sắc ký thẩm thấu qua gel)

HAc

Acetic axit

HCBVTV

Hoá chất bảo vệ thực vật

HCBVTV

Hoá chất bảo vệ thực vật

HPLC

High Performance Liquid Chromatography (sắc ký lỏng hiệu năng
cao)

IS

Internal standard (chất nội chuẩn)

LC


Primary Secondary Amine

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

RSD

Relative standard deviation (sai số tƣơng đối)

SBSE

Stir Bar Sorptive Extraction

SDME

Single Drop Micro Extraction (vi chiết giọt đơn)

SFE

Supercritical Fluid Extraction (chiết siêu tới hạn)

SIM

Selected Ion Monitoring

SPE

Solid Phase Extraction (chiết pha rắn)


Tuy nhiên, do đều là hóa chất có độc tính cao, thời gian phân hủy kéo dài nên
bên cạnh tính tích cực là bảo vệ cây trồng, HCBVTV ít nhiều đã gây ảnh hƣởng đến
sinh vật và môi trƣờng xung quanh. Đặc biệt, HCBVTV có thể tích tụ trong các sản
phẩm nông nghiệp từ môi trƣờng đất và gây hại trực tiếp đến con ngƣời.
Việc xác định dƣ lƣợng HCBVTV trong đất nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm
môi trƣờng và đảm bảo cho phát triển nền nông nghiệp sạch, an toàn. Hiện nay, tại
Việt Nam công tác đánh giá dƣ lƣợng HCBVTV trong đất vẫn đƣợc tiến hành riêng
theo từng nhóm chất, mỗi nhóm có qui trình phân tích riêng (phƣơng pháp truyền
thống). Mỗi qui trình bao gồm quá trình chiết (thƣờng là shoxlet), làm sạch bằng
sắc ký cột và phân tích trên thiết bị phù hợp. Vì vậy, để có thể phân tích hết các
HCBVTV, cần dùng nhiều kỹ thuật chiết và phân tích khác nhau, dẫn đến mất thời
gian (chiết đến 16 – 18 tiếng) và tốn kinh phí (cần trên 1 lít dung môi). Do đó, việc
xây dựng phƣơng pháp có thể xác định đồng thời nhiều HCBVTV thuộc các nhóm
khác nhau là cần thiết.
3


Trên thế giới, các phƣơng pháp xác định HCBVTV đã hình thành từ rất lâu
và ngày càng phát triển theo hƣớng áp dụng các kỹ thuật, công nghệ mới nhằm tăng
hiệu quả, độ chính xác và giảm chi phí, thời gian [1].
Năm 2003, Anastassiades và cộng sự lần đầu tiên công bố một phƣơng pháp
chiết và làm sạch nhanh đƣợc gọi là QuEChERS (viết tắt của Quick, Easy, Cheap,
Efficient, Rugged, Safe) để xác định HCBVTV trong rau quả [67]. Phƣơng pháp
bao gồm một quá trình chiết chung cho phần lớn các chất và làm sạch bằng kỹ thuật
chiết phân tán d-SPE (dispersive solid phase extraction). Tuy nhiên, tùy thuộc nền
mẫu và đối tƣợng phân tích sẽ cần có những nghiên cứu, khảo sát sâu để thiết lập ra
qui trình riêng biệt. Phƣơng pháp nhanh chóng đƣợc chấp nhận và phát triển ứng
dụng cho các đối tƣợng phân tích và nền mẫu khác nhau, chủ yếu cho các sản phẩm
nông nghiệp và thực phẩm. Với nền mẫu đất, trầm tích, đến năm 2008 mới có công
bố đầu tiên và cho đến nay cũng chỉ xác định đồng thời trên 40 loại HCBVTV [76].

dụng, đƣợc phân loại dựa trên thành phần, cấu tạo hóa học (nhóm cơ clo, cơ phốt
pho, carbamate... ) hay theo công dụng (thuốc trừ sâu, trừ nấm, trừ cỏ…) và đôi khi
theo cấp độ độc hoặc theo thời gian phân hủy của chúng.
Theo cấu tạo hoá học, HCBVTV có thể đƣợc phân thành các nhóm chính sau: [2-3]
- Nhóm cơ Clo (Organochlorines) là các hợp chất hữu cơ với năm hoặc
nhiều hơn các nguyên tử clo và là HCBVTV hữu cơ tổng hợp đầu tiên đƣợc sử dụng
trong nông nghiệp, y tế công cộng và tồn tại trong môi trƣờng với thời gian dài
trƣớc khi phân huỷ hoàn toàn. HCBVTV clo hữu cơ gây rối loạn hệ thần kinh dẫn
đến co giật, tê liệt và gây tử vong cho côn trùng. Phần lớn các hoạt chất thuộc nhóm
đã bị cấm hoặc hạn chế sử dụng. Một số ví dụ đại diện đã đƣợc sử dụng phổ biến
những thập niên 70, 80 của thế kỷ trƣớc là DDT, lindane, endosulfan, aldrin,
dieldrin và chlordane.

5


- Nhóm cơ Phốt pho (Organophosphorous): có cấu trúc cơ bản đƣợc xác
định theo công thức Schrader, trong đó, R1 và R2 thƣờng là nhóm methyl hoặc
ethyl, O trong nhóm OX có thể đƣợc thay thế bằng S và nhóm X rất đa dạng.

HCBVTV cơ phốt pho nói chung là có độc tính cao với côn trùng và động
vật máu nóng, tác động nhƣ chất ức chế cholinesterase dẫn đến một lớp phủ thƣờng
trực của acetylcholine trên một khớp thần kinh. Kết quả là, các xung động thần kinh
không di chuyển trên các khớp thần kinh gây co giật của cơ bắp và do đó nhanh
chóng tê liệt và chết.
HCBVTV cơ phốt pho dễ bị phân hủy trong môi trƣờng bởi các tác nhân hóa
học và sinh học khác nhau, do đó không tồn tại quá lâu trong môi trƣờng. Tuy
nhiên, do độc tính cao nên một số chất đã bị cấm, hạn chế sử dụng. Một số chất
đƣợc sử dụng rộng rãi bao gồm parathion, malathion.


triazole)
1.1.2 Tình hình sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật
- Trên thế giới [2]:

HCBVTV đã đƣợc sử dụng từ rất lâu và có nguồn gốc chủ yếu từ vô cơ, nhƣ
đồng, thủy ngân, asen (trƣớc năm 1940). Đến năm 1939, thuốc trừ sâu tổng hợp đầu
tiên (DDT - thuộc nhóm cơ clo) ra đời và đƣợc xem là thần dƣợc cho nông nghiệp.
7


Những năm tiếp sau đó, rất nhiều HCBVTV nhóm cơ clo đƣợc phát triển và sử
dụng rộng rãi do có hoạt tính cao (mặc dù nhóm cơ phốt pho và carbamat đã đƣợc
hình thành). Tuy nhiên, đến những năm 60, nhiều báo cáo về tính độc hại cũng nhƣ
ảnh hƣởng của nhóm cơ clo đến sức khỏe và môi trƣờng đã đƣợc ghi nhận và việc
sử dụng DDT cũng nhƣ nhiều hoạt chất HCBVTV nhóm cơ clo đã bị cấm sử dụng
trong nông nghiệp tại Mỹ vào năm 1973. Việc cấm này tạo điều kiện cho việc phát
triển các HCBVTV thân thiện với môi trƣờng hơn nhƣ nhóm cơ phốt pho, nhóm
carbamat và cũng đánh dấu sự ra đời của nhóm pyrethroid.
Từ năm 1980 đến nay, đã phát minh ra nhiều loại HCBVTV mới có tính an
toàn và ít độc hại hơn, trong đó tập trung vào các chất có nguồn gốc sinh học, từ tự
nhiên. Các HCBVTV mới này có tính chọn lọc cao, ít độc hại nhƣng có phổ tác
dụng hạn hẹp và hoạt lực thấp, vì vậy, thƣờng đƣợc phối hợp 2 hay nhiều loại với
nhau để tăng hiệu quả. Đồng thời với việc tạo ra các HCBVTV mới, nhiều
HCBVTV có tính độc cao cũng bị cấm và hạn chế sử dụng, tập trung chủ yếu vào
nhóm vô cơ, cơ clo và một số chất thuộc nhóm cơ phốt pho.
Theo thống kê của tổ chức Nông Lƣơng Thế giới (FAO), hàng năm có trên 2
triệu tấn HCBVTV đƣợc sử dụng trên toàn thế giới. Mặc dù một số loại HCBVTV
độc hại đã bị cấm sử dụng từ những năm 80 của thế kỷ trƣớc (ở Việt Nam là những
năm 90), tuy nhiên, do tính bền và khó phân hủy nên chúng vẫn tồn tại trong môi
trƣờng, nhất là môi trƣờng đất.

Năm

Tổng KL
(tấn TP)

Tấn TP

Tỉ lệ %

Tấn TP

Tỉ lệ
%

Tấn TP

Tỉ lệ %

2010

72.560

18.648

25,70 %

19.954

27,50%


23,20%

46.469

44,80%

2013

90.201

18.401

20,40%

20.926

23,20%

20.927

23,20%

2014

116.582

33.342

28,60%


trong tách và làm sạch chúng khỏi nền mẫu. Trong quá trình này, độ phân cực của
dung môi chiết cũng nhƣ loại và hàm lƣợng của chất hấp phụ trong làm sạch là các
yêu tố quan trọng cần đƣợc quan tâm. Ngoài ra, các ảnh hƣởng khác từ nền mẫu
cũng cần đƣợc nghiên cứu. Một số kỹ thuật đã đƣợc sử dụng: [1, 12, 13, 18, 30, 36]
1.2.1.1 Chiết lỏng - lỏng (Liquid liquid extraction – LLE)
Đây là phƣơng pháp truyền thống, đƣợc phát triển đầu tiên trên thế giới và
hiện vẫn đƣợc sử dụng rộng rãi trong xử lý mẫu. Phƣơng pháp LLE thƣờng đƣợc áp
dụng cho mẫu lỏng hoặc bán lỏng. Với mẫu rắn, mẫu cần đƣợc nghiền và đồng nhất
trong pha lỏng phù hợp.
Nguyên tắc chung của phƣơng pháp là dựa trên sự phân bố (hòa tan) của chất
cần phân tích giữa 2 pha không hòa tan: pha lỏng đang tồn tại (thƣờng là nƣớc) và
pha chiết (dung môi hữu cơ). Chính vì vậy, hiệu quả chiết phụ thuộc rất nhiều vào
tính chất hóa lý, đặc biệt là độ phân cực của chất tan cũng nhƣ dung môi hòa tan.
Trong phƣơng pháp này, có thể lựa chọn dung môi để chiết chọn lọc một nhóm chất
hoặc có thể dùng hỗn hợp nhiều dung môi để chiết đa nhóm.
LLE đơn giản, ổn định và khá hiệu quả nhƣng tốn nhiều thời gian, công sức
cũng nhƣ lƣợng dung môi tiêu tốn lớn (từ 200 ml trở lên).
1.2.1.2 Chiết lỏng - rắn (Liquid solid extraction – LSE)
Tƣơng tự nhƣ LLE, đây phƣơng pháp truyền thống cho tách chiết phân tích
dƣ lƣợng HCBVTV trong mẫu rắn. Nguyên tắc chung của phƣơng pháp là sử dụng
dung môi hữu cơ thích hợp chiết chất cần phân tích từ mẫu rắn (đã đƣợc đồng nhất
và nghiền nhỏ) bằng cách lắc, khuấy trộn cơ học.
10


Để tăng hiệu quả cũng nhƣ giảm thời gian chiết, một số biện pháp hỗ trợ đã
đƣợc áp dụng nhƣ: áp suất (pressurized liquid extraction - PLE) [69, 73], vi sóng
(microwave assisted extraction – MAE) [71, 80] hay siêu âm (ultrasound assisted
extraction – UAE) [72, 79]. Tuy nhiên, do có năng lƣợng cao nên nhiều tạp chất
cũng bị chiết đồng thời gây khó khăn cho quá trình làm sạch. Vì vậy, PLE, MAE và

Mẫu đƣợc nạp vào bình chiết.

-

Dòng CO2 lỏng qua bình ngƣng tụ rồi đến bơm nén và bộ gia nhiệt để tạo
điều kiện trở thành siêu tới hạn.

-

Đƣa CO2 siêu tới hạn vào bình chiết sau đó chuyển vào bình tách

-

Điều chỉnh nhiệt độ và áp suất thích hợp để CO2 chuyển thành dạng khí,
sản phẩm sẽ lắng xuống, thu riêng.

-

Khí CO2 có thể đƣợc nén lạnh, hóa lỏng và đƣa trở lại bình chứa cho các
lần phân tích sau.

Hình 1.2 Bộ dụng cụ chiết siêu tới hạn
Ƣu điểm nổi bật nhất của SFE là tính chọn lọc. Dịch chiết thu đƣợc thƣờng
không cần phải trải qua quá trình làm sạch trƣớc khi phân tích do đó phƣơng pháp
rất phù hợp cho các nền mẫu phức tạp. Tuy nhiên, đến nay SFE không phải là một
phƣơng pháp phổ biến vì chi phí đầu tƣ thiết bị khá tốn kém và việc mở rộng ứng
dụng trên nền mẫu mới cần có những khảo sát riêng phức tạp.

12


nƣớc hay dung môi phù hợp trƣớc khi cho mẫu.

-

Florisil: bản chất là magie silicat (MgSiO3). Đây là chất có độ phân cực
yếu và phù hợp cho việc chiết, làm sạch đối với nhiều nhóm HCBVTV.

-

C18: có cấu tạo với nền silica gắn các nhóm octadecyl (C18) nhằm làm
giảm sự phân cực. C18 hấp phụ tốt đối với các chất không phân cực nhƣ
chất béo, sáp, đƣờng, tinh bột và không ảnh hƣởng (hấp phụ) với phần
lớn các HCBVTV.

-

PSA (primary secondary amine): do có cấu tạo bao gồm cả amin bậc 1 và
bậc 2 nên PSA có tính kiềm, có khả năng tạo phức (chelating), khả năng
trao đổi ion và rất hiệu quả trong việc loại bỏ các a xít hữu cơ (bao gồm
cả a xít béo), các chất phân cực.

13


-

GCB (graphitized carbon black): đƣợc sử dụng để loại màu, chlorophyll
và carotenoid

1.2.1.6 Vi chiết pha rắn (Solid phase micro extraction – SPME)

- Vi chiết đơn giọt (single drop microextraction - SDME): đƣợc Jeannot và
Cantwell phát triển từ năm 1996 trên nguyên tắc: chất cần phân tích đƣợc chiết từ
mẫu sang dung môi hữu cơ trong một giọt nhỏ (thể tích từ 1 – 3 µL) tại đầu của
microsyringe (hình 1.5).

15