Luận án Tiến sỹ Hóa phân tích: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu phát triển một kỹ thuật phân tích mới có thể phân tích đồng thời hóa chất bảo vệ thực vật thuộc các nhóm hoạt chất khác nhau trong đất nhằm giảm thời gian và chi phí phân tích; sơ bộ đánh giá với các phƣơng pháp hiện hành thông qua phân tích mẫu thực tế và so sánh với một số phòng phân tích khác. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sỹ Hóa phân tích: 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

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 THỰC VẬT TRONG ĐẤT Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 62.44.01.18 LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA PHÂN TÍCH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Vũ Đức Lợi 2. PGS. TS. Nguyễn Hồng Khánh Hà Nội, 2019
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của các giáo viên hƣớng dẫn và hỗ trợ của các đồng nghiệp. Các kết quả nghiên cứu trình bầy trong luận án này là trung thực và khách quan. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Phạm Tuấn Linh i
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
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................1 MỞ ĐẦU .....................................................................................................................3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ..................................................................................5 1.1 Giới thiệu về hoá chất bảo vệ thực vật ..........................................................5 1.1.1 Phân loại hóa chất bảo vệ thực vật .........................................................5 1.1.2 Tình hình sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật ...........................................7 1.2 Phân tích dƣ lƣợng hoá chất bảo vệ thực vật.................................................9 1.2.1 Xử lý mẫu cho phân tích dƣ lƣợng hoá chất BVTV .............................10 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 2.2.2 Thiết bị ..................................................................................................35 2.3 Chuẩn bị dung dịch chuẩn, mẫu chuẩn ........................................................35 iii
2.3.1 Chuẩn bị dung dịch chuẩn ....................................................................35 2.3.2 Chuẩn bị mẫu chuẩn .............................................................................36 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................36 2.4.1 Nghiên cứu, lựa chọn điều kiện vận hành thiết bị sắc ký khí khối phổ ...37 2.4.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng của quá trình tách chiết (xử lý mẫu) ..................37 2.5 Xây dựng qui trình phân tích. ......................................................................38 2.6 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 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................41 3.1 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 3.1.4 Lựa chọn mảnh phân tách .....................................................................55 3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng của quá trình tách chiết (xử lý mẫu) ......................56 3.2.1 Lựa chọn dung môi chiết ......................................................................56 3.2.2 Lựa chọn thời gian chiết mẫu ...............................................................61 3.2.3 Ảnh hƣởng của các chất hấp phụ đến quá trình làm sạch.....................63 3.2.4 Ảnh hƣởng của thành phần nền mẫu ....................................................66 3.3 Xây dựng qui trình phân tích .......................................................................74 iv
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 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................106 PHỤ LỤC ................................................................................................................117 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các trạng thái vật lý theo nhiệt độ vào áp suất ........................................11 Hình 1.2 Bộ dụng cụ chiết siêu tới hạn ..................................................................12 Hình 1.3 Chiết và giải hấp trong vi chiết pha rắn (SPME) [10] ...............................14 Hình 1.4 Các bƣớc trong kỹ thuật MSPD [12] .........................................................15 Hình 1.5 Các bƣớc trong kỹ thuật SDME ................................................................16 Hình 1.6 Các bƣớc trong kỹ thuật HF-LPME ..........................................................16 Hình 1.7 Các bƣớc trong kỹ thuật DLLME [5] ........................................................17 Hình 1.8 Các bƣớc trong kỹ thuật QuEChERS ........................................................18 Hình 1.9 Các bƣớc chuẩn bị mẫu của 3 phiên bản QuEChERS cho xác định HCBVTV trong các sản phẩm nông nghiệp .............................................................18 Hình 3.1. Ảnh hƣởng của tốc độ bơm mẫu tại các nhiệt độ khác nhau ..................43 Hình 3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ cổng bơm mẫu ở chế độ bơm mẫu nhanh ........44 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của thể tích bơm mẫu và tốc độ khí mang............................48 Hình 3.4. Sắc đồ của hỗn hợp chuẩn 1 mg/kg bơm ở chƣơng trình nhiệt độ 1. ......50 Hình 3.5. Sắc đồ của hỗn hợp chuẩn 1 mg/kg bơm ở chƣơng trình nhiệt độ 2. ......50 Hình 3.6. Sắc đồ của hỗn hợp chuẩn 1 mg/kg bơm ở chƣơng trình nhiệt độ 3. ......51 Hình 3.7. Sắc đồ của hỗn hợp chuẩn 1 mg/kg bơm ở chƣơng trình nhiệt độ 4. ......51 Hình 3.8. Sắc đồ của hỗn hợp chuẩn 1 mg/kg bơm ở chƣơng trình nhiệt độ 5. ......52 Hình 3.9. Sắc đồ của hỗn hợp chuẩn 1 mg/kg bơm ở chƣơng trình nhiệt độ 6. ......52 Hình 3.10. Độ phân giải của một số HCBVTV theo các chƣơng trình nhiệt độ.....54 Hình 3.11. Sự phân tách và định dạng pik từ chƣơng trình AMDIS. .....................56 vi
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 260oC (chế độ nhanh) ................................................................................................45 Bảng 3.3. Thể tích khí tƣơng ứng với thể tích bơm mẫu tại nhiệt độ 260oC...........46 Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của thể tích bơm mẫu và tốc độ khí mang ...........................47 Bảng 3.5 Các chƣơng trình nhiệt độ của lò ..............................................................49 Bảng 3.6. Tổng hợp độ thu hồi, độ lệch chuẩn của các HCBVTV với các dung môi khác nhau...................................................................................................................58 Bảng 3.7. Độ thu hồi, độ lệch chuẩn của các HCBVTV theo các dung môi chiết ..58 Bảng 3.8. Tổng hợp kết quả của ảnh hƣởng thời gian chiết mẫu ............................62 Bảng 3.9 Ảnh hƣởng của cỡ hạt mẫu và chất hữu cơ. .............................................70 Bảng 3.10. Thời gian lƣu, các mảnh định lƣợng và định tính (m/z) .......................76 Bảng 3.11. Giới hạn phát hiện và định lƣợng của phƣơng pháp .............................80 Bảng 3.12. Khoảng tuyến tính và đƣờng chuẩn của phƣơng pháp ..........................84 Bảng 3.13. Kết quả độ thu hồi và độ lệch chuẩn ....................................................88 Bảng 3.14. Địa điểm lấy mẫu và phân loại đất trồng lúa ........................................92 Bảng 3.15. Địa điểm lấy mẫu và phân loại đất trồng rau ........................................93 Bảng 3.16. Tổng hợp kết quả phân tích các mẫu đất có dƣ lƣợng hoá chất BVTV tại Viện Công nghệ môi trƣờng.................................................................................94 Bảng 3.17. Tổng hợp kết quả của 5 đơn vị tham gia phân tích (Quatest và TTKKNPBQG tham gia 05 mẫu) (đơn vị: µg/kg). ...................................................95 viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ACN 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) ECD Electron Capture Detector (đầu dò bắt giữ điện tử) EtOAc Ethylacetate FID Flame Ionization Detector (đầu dò ion hóa ngọn lửa) FLD Fluorescence Detector (đầu dò huỳnh quang) FPD Flame Photometric Detector (đầu dò quang hóa ngọn lửa) GC Gas Chromatography (sắc ký khí) GC/MS Gas Chromatography Mass Spectrometry (sắc ký khí ghép nối khối phổ) GCB 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 Liquid Chromatography (sắc ký lỏng) LLE Liquid - liquid extraction (chiết lỏng – lỏng) LOQ Limit of quantification (giới hạn định lƣợng) LPME Liquid Phase Micro Extraction (vi chiết pha lỏng) LSE Liquid Solid Extraction (chiết lỏng rắn) 1
MSD Mass Spectrometry Detector (đầu dò khối phổ) MSPD Matrix Solid Phase Dispersion (phân tán pha rắn hỗn hợp) PSA 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) SPME Solid Phase Micro Extraction (vi chiết pha rắn) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TPP Triphenyl phosphate 2
MỞ ĐẦU Việt Nam là nƣớc nông nghiệp. Trong thời kỳ đổi mới, nông nghiệp Việt Nam đã đạt đƣợc những thành tựu nổi bật, duy trì tốc độ tăng trƣởng đều, ổn định và đã trở thành chỗ dựa nền tảng cho công nghiệp và dịch vụ, góp phần quan trọng vào việc ổn định xã hội ở nƣớc ta. Để có đƣợc những kết quả khả quan nhƣ vậy, không thể phủ nhận vai trò của việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật khác nhau trong sản xuất, canh tác trong đó có việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật (HCBVTV) nhƣ một tác nhân bảo vệ cây trồng khỏi sâu bệnh, động thực vật gây hại, góp phần làm tăng năng suất cũng nhƣ chất lƣợng sản phẩm nông nghiệp. Do đó, HCBVTV ngày càng đƣợc sử dụng phổ biến tại nƣớc ta với chủng loại ngày càng tăng (từ 189 hoạt chất năm 2003 lên 1700 hoạt chất năm 2016) [34]. Nhƣ vậy, theo thời gian, trong môi trƣờng đất (nơi tiếp nhận đầu tiên của HCBVTV trong quá trình sử dụng) sẽ tồn tại nhiều loại HCBVTV thuộc các nhóm khác nhau (dƣ lƣợng) do việc sử dụng đã kéo dài qua nhiều năm hay do sử dụng nhiều loại đan xen, pha trộn đồng thời. 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]. Theo các tiêu chuẩn hiện hành tại Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới, HCBVTV trong đất vẫn đƣợc xác định theo phƣơng pháp truyền thống, tức là chiết tách, làm sạch theo nhóm sau đó phân tích trên thiết bị phù hợp (sắc ký khí, lỏng với các đầu dò khác nhau). Với những thực tế trên, đề tài ―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‖ đƣợc thực hiện với mục đích: - Nghiên cứu phát triển một kỹ thuật phân tích mới có thể phân tích đồng thời hóa chất bảo vệ thực vật thuộc các nhóm hoạt chất khác nhau trong đất nhằm giảm thời gian và chi phí phân tích. - Sơ bộ đánh giá với các phƣơng pháp hiện hành thông qua phân tích mẫu thực tế và so sánh với một số phòng phân tích khác 4
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về hoá chất bảo vệ thực vật 1.1.1 Phân loại hóa chất bảo vệ thực vật Hóa chất bảo vệ thực vật là các loại hóa chất đƣợc sử dụng trong canh tác nông lâm nghiệp nhằm mục đích bảo vệ cây trồng khỏi các sinh vật gây hại. Hiện nay trên thế giới, có trên 1500 loại hóa chất bảo vệ thực vật đã và đang đƣợc sử 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. - Nhóm Carbamate: là HCBVTV hữu cơ có nguồn gốc từ axit carbamic với công thức chung Trong đó, R1 là một nhóm rƣợu, R2 là nhóm methyl và R3 thƣờng là hydro. Carbamate có độc tính với côn trùng và động vật có vú, gây ức chế men cholinesterase. Nhóm này thƣờng đƣợc phối trộn với các nhóm khác để tăng phổ tác dụng và có đặc điểm: ít tan trong nƣớc, dễ bị phân hủy. Một số hoạt chất sử dụng rộng rãi trong nhóm này bao gồm carbaryl, carbofuran và aminocarb. 6
- Nhóm Pyrethroid là chất tƣơng tự tổng hợp của pyrethrins tự nhiên, một sản phẩm từ hoa kim cúc (cinerariaefolium). Pyrethroid đƣợc công nhận là có hiệu quả đối với côn trùng gây hại, nhƣng độc tính với động vật có vú thấp và dễ phân hủy sinh học. Tuy nhiên, do dễ bị phân huỷ quang học nên ít đƣợc sử dụng trong nông nghiệp. Các pyrethroid tổng hợp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất bao gồm permethrin, cypermethrin và deltamethrin. - Một số nhóm HCBVTV khác: Một số HCBVTV có cấu tạo khác biệt do dó không đƣợc xếp vào các nhóm chính nêu trên và cũng có nhiều HCBVTV không đƣợc xếp vào một nhóm cụ thể nào. Ví dụ: Diniconazole (nhóm Fipronil (nhóm pyrazole) Pretilachlor (nhóm triazole) acetamide) 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. - Tại Việt Nam [3, 87]: Theo thống kê vào năm 1957 tại miền Bắc nƣớc ta sử dụng khoảng 100 tấn. Ðến trƣớc năm 1985 khối lƣợng HCBVTV dùng hàng năm khoảng 6.500 - 9.000 tấn. Các loại HCBVTV mà Việt Nam sử dụng trong giai đoạn trƣớc 1995 có độ độc cao, nhiều loại đã lạc hậu (cấm sử dụng trên thế giới) nhƣ DDT, 666, parathion với lƣợng sử dụng khoảng 0,3kg/ha. Tuy nhiên, nhiều loại HCBVTV cũng đƣợc sử dụng trong các lĩnh vực khác, ví dụ sử dụng DDT để phòng trừ muỗi truyền bệnh sốt rét (từ 1957 -1994: 24.042 tấn). Danh mục thuốc BVTV đƣợc phép sử dụng ở nƣớc ta đến năm 2013 đã lên tới 1.643 hoạt chất, trong khi, các nƣớc trong khu vực chỉ có khoảng từ 400 dến 600 8
loại hoạt chất, nhƣ Trung Quốc 630 loại, Thái Lan, Malaysia 400-600 loại (theo Hội nông dân, 2015). Phần lớn các loại hóa chất BVTV đƣợc sử dụng ở nƣớc ta hiện nay có nguồn gốc từ nhập khẩu. Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, năm 2014 về thực trạng và giải pháp quản lý thuốc BVTV nhập lậu cho thấy hàng năm Việt Nam nhập khẩu từ 70.000 - 100.000 tấn thuốc BVTV (theo Cục Bảo vệ thực vật, 2015). Tuy nhiên, ngoài những HCBVTV nằm trong danh mục cho phép, còn có nhiều loại đƣợc sử dụng trái phép do có giá thành thấp nhƣng hoạt lực mạnh và phần lớn có nguồn gốc từ Trung Quốc, nhập khẩu thông qua con đƣờng tiểu ngạch (buôn lậu). Các HCBVTV này thƣờng thuộc nhóm cơ clo (DDT, endosulfan) và có độc tính rất cao. Bảng 1.1 Tình hình nhập khẩu HCBVTV tại Việt Nam gần đây Thuốc trừ sâu Thuốc trừ bệnh Thuốc trừ cỏ Tổng KL Năm Tỉ lệ (tấn TP) Tấn TP Tỉ lệ % Tấn TP Tấn TP Tỉ lệ % % 2010 72.560 18.648 25,70 % 19.954 27,50% 28.153 38,80% 2011 85.084 15.976 18,78% 19.270 22,60% 38.018 44,68% 2012 103.612 20.515 19,80% 24.067 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% 42.577 36,35% 30.603 26,25% (Nguồn: Cục Bảo vệ thực vật, 2015) 1.2 Phân tích dƣ lƣợng hoá chất bảo vệ thực vật Việc phân tích dƣ lƣợng HCBVTV trong đất đã đƣợc nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới, biên soạn thành các phƣơng pháp phân tích tiêu chuẩn, trong đó các hóa chất bảo vệ thực vật thƣờng đƣợc xác định theo nhóm dựa vào thành phần cấu tạo và tính chất hóa lý đặc trƣng. Quá trình phân tích thƣờng bao gồm 2 công đoạn: - Xử lý mẫu: nhằm tách các HCBVTV khỏi nền mẫu, làm sạch (có thể bao gồm cô đặc làm giàu). Các kỹ thuật chiết thƣờng đƣợc sử dụng. - Định lƣợng: sử dụng các kỹ thuật, thiết bị phù hợp để xác định hàm lƣợng HCBVTV 9
Các phƣơng pháp này vẫn liên tục đƣợc nghiên cứu phát triển nhằm tăng độ nhạy, giảm thời gian cũng nhƣ chi phí phân tích và đáp ứng tốt hơn với sự phát triển của các hóa chất bảo vệ thực vật mới. 1.2.1 Xử lý mẫu cho phân tích dư lượng hoá chất BVTV Quá trình xử lý mẫu nhằm mục đích tách các chất cần phân tích với lƣợng rất nhỏ và loại bỏ tối đa các tạp chất với lƣợng rất lớn khỏi nền mẫu. Sẽ càng phức tạp hơn nếu các chất cần phân tích có tính chất hóa lý khác nhau (các nhóm khác nhau) 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