Tổng quan nghiên cứu

Trên quy mô toàn cầu, ước tính có hơn 1.490 tấn hợp chất perfluoroalkyl và polyfluoroalkyl được tiêu thụ mỗi năm chỉ riêng trong ngành công nghiệp sản xuất giấy và vật liệu tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm. Trong số các hợp chất thuộc nhóm hóa chất nhân tạo này, axit perfluorooctanoic (PFOA) và muối perfluorooctane sulfonate (PFOS) là hai chất được ứng dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính chống dính, kháng nước và cản dầu mỡ vượt trội. Tuy nhiên, tính bền vững hóa học cao khiến các chất này khó bị phân hủy trong tự nhiên, đồng thời có khả năng tích lũy sinh học mạnh mẽ trong cơ thể người với thời gian bán thải kéo dài từ 3,8 đến 5,4 năm.

Các thử nghiệm độc học lâm sàng đã chứng minh sự phơi nhiễm PFOA và PFOS dẫn đến nguy cơ suy giảm hệ miễn dịch, gây độc cho gan, rối loạn nội tiết tố, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe sinh sản và làm gia tăng nguy cơ hình thành khối u ác tính. Trước những mối nguy hại nghiêm trọng này, Công ước Stockholm đã liệt kê PFOS vào Phụ lục B các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs) từ năm 2009. Đồng thời, Liên minh Châu Âu thông qua Quy chế ủy quyền 2020/784 đã thiết lập ngưỡng giới hạn nghiêm ngặt đối với PFOA và các muối của nó ở mức không được vượt quá 0,025 mg/kg trong sản phẩm thương mại.

Nhằm giải quyết yêu cầu cấp thiết về kiểm soát an toàn vệ sinh thực phẩm tại Việt Nam, luận văn thạc sĩ Hóa phân tích của tác giả Đoàn Duy Khánh thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2022 đã tập trung nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích vi lượng đồng thời PFOS và PFOA trong bao bì thực phẩm bằng phương pháp sắc ký lỏng ghép hai lần khối phổ (LC-MS/MS). Đề tài khảo sát trên 15 mẫu bao bì giấy thực phẩm thu thập tại địa bàn Hà Nội, mang lại giải pháp kiểm nghiệm độ nhạy cao với giới hạn phát hiện dưới 0,1 ng/g và độ thu hồi đạt trên 100%, đóng góp công cụ kỹ thuật then chốt cho công tác quản lý an toàn bao bì tiếp xúc thực phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng hóa học phân tích hiện đại, kết hợp giữa lý thuyết chiết tách chất phân tích trong pha rắn - lỏng và lý thuyết sắc ký phân bố pha đảo kết hợp khối phổ phân giải cao:

  • Hợp chất perflo hóa (PFCs/PFAS): Là nhóm các hợp chất hữu cơ mạch carbon no có độ dài chuỗi thông thường từ C4 đến C16, trong đó toàn bộ các nguyên tử hydro được thay thế bằng nguyên tử flo. Do năng lượng liên kết Carbon - Flo (C-F) rất lớn và sự che chắn của các electron tự do, liên kết này cực kỳ bền nhiệt và kháng phản ứng hóa học. Cấu trúc phân tử gồm đầu ưa nước (axit carboxylic hoặc sulfonate) và đuôi kỵ nước chứa flo mang lại tính chất hoạt động bề mặt đặc thù.
  • Tính chất phân tử của PFOS và PFOA: PFOA có khối lượng phân tử 414,1 g/mol với nhiệt độ nóng chảy 45 - 50 °C; PFOS có khối lượng phân tử 538,0 g/mol với nhiệt độ nóng chảy trên 400 °C. Cả hai chất đều phân cực mạnh, tan tốt trong nước và dung môi phân cực, tạo liên kết ion mạnh ở điều kiện trung tính.
  • Nguyên lý chiết siêu âm (Ultrasonic Extraction): Sóng siêu âm tần số cao lan truyền qua môi trường lỏng tạo ra các vi bọt khí xâm thực. Sự nén và vỡ liên tục của các bọt khí này giải phóng áp suất cục bộ và nhiệt độ cao, phá vỡ cấu trúc vi mô của bề mặt mẫu rắn, gia tăng diện tích tiếp xúc pha và đẩy nhanh quá trình khuếch tán chất phân tích vào dung môi chiết.
  • Kỹ thuật ion hóa phun điện tử âm ESI(-) và khối phổ hai lần tứ cực (MS/MS): Dòng chất lỏng sau khi qua cột sắc ký được chuyển thành sương mù điện tích ở điện áp 4500 V và nhiệt độ mao quản 350 °C. Tại buồng va chạm, các ion phân tử mẹ bị phân rã có chọn lọc thành các mảnh ion con đặc trưng dưới tác động của khí trơ, ghi nhận tín hiệu theo chế độ giám sát phản ứng đa bội (MRM) giúp loại bỏ tối đa nhiễu nền.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu nghiên cứu: Nghiên cứu tiến hành thu thập ngẫu nhiên tổng cộng 15 mẫu bao bì tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm tại các siêu thị, chuỗi cửa hàng tiện lợi và cơ sở kinh doanh thức ăn nhanh trên địa bàn Hà Nội năm 2022. Mẫu được chia đều thành 3 nhóm đại diện: 5 mẫu vỏ giấy cốc đựng bánh ngọt, 5 mẫu vỏ hộp đồ ăn nhanh và 5 mẫu giấy chống thấm dầu mỡ.
  • Phương pháp lấy mẫu và chuẩn bị: Áp dụng kỹ thuật lấy mẫu ngẫu nhiên xác thực. Mẫu sau khi thu thập được niêm phong trong túi zip chuyên dụng, lưu trữ ở nhiệt độ 4 °C trước khi phân tích. Toàn bộ mẫu được cắt nhỏ kích thước khoảng 1 cm² để đồng nhất hóa diện tích tiếp xúc.
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích LC-MS/MS: So với phương pháp sắc ký khí (GC-MS) đòi hỏi phải dẫn xuất hóa phức tạp với chất BSTFA dễ gây sai số và kéo dài thời gian phân tích, hệ thiết bị LC-MS/MS SCIEX 6500 Triple Quad cho phép phân tích trực tiếp dạng ion của PFOS và PFOA. Kỹ thuật này cung cấp độ chọn lọc tuyệt đối, độ nhạy cao vượt trội ở dải nồng độ phần tỷ (ppb), đáp ứng tiêu chuẩn nhận diện ion theo hướng dẫn quốc tế của AOAC.
  • Quy trình thực nghiệm chuẩn hóa: Cân chính xác 1,00 g mẫu vào ống polypropylene 50 mL, thêm 25 mL dung môi methanol tinh khiết HPLC, tiến hành lắc vortex trong 1 phút và chiết siêu âm trong 2 giờ. Dịch chiết sau đó được làm sạch, cô quay chân không, ly tâm ở tốc độ 1500 vòng/phút trong 10 phút, thổi khô về dưới 1 mL bằng dòng khí nitơ N-EVAP và định mức chính xác về 1 mL bằng methanol trước khi tiêm vào hệ thống LC-MS/MS.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  • Tối ưu hóa điều kiện chiết tách và pha động: Dung môi methanol cho thấy khả năng chiết vượt trội khi đạt hiệu suất thu hồi trung bình 104% cho cả PFOS và PFOA, cao hơn 33,3% so với dung môi acetonitrile (chỉ đạt 78%). Khảo sát thể tích chiết cho thấy mức 25 mL đạt hiệu suất thu hồi 106% đối với PFOS và 104% đối với PFOA, tương đương thể tích 35 mL (đạt 101% - 102%) nhưng giúp tiết kiệm 28,5% lượng dung môi sử dụng. Hệ pha động tối ưu gồm Methanol (kênh A) và Acid formic 0,1% (kênh B) đem lại diện tích pic tín hiệu cực đại đạt 2,68 × 10⁶ cho PFOS và 2,22 × 10⁶ cho PFOA.
  • Độ đặc hiệu và tương quan tuyến tính xuất sắc: Thời gian lưu của PFOA và PFOS lần lượt đạt 4,99 phút và 5,31 phút. Tỷ lệ phân mảnh ion định lượng và định tính thỏa mãn điểm nhận diện IP = 5 theo tiêu chuẩn AOAC. Đường chuẩn xây dựng trong khoảng nồng độ tuyến tính từ 0,3 đến 10,0 ng/mL đạt hệ số tương quan rất cao: R² = 0,9999 đối với PFOS (phương trình y = 40411x + 3478,7) và R² = 0,9985 đối với PFOA (phương trình y = 28601x + 547,84).
  • Giới hạn phát hiện siêu vết (MDL/MQL): Giới hạn phát hiện của phương pháp (MDL) đối với PFOS là 0,090 ng/g và PFOA là 0,088 ng/g. Giới hạn định lượng của phương pháp (MQL) đối với PFOS đạt 0,271 ng/g và PFOA đạt 0,264 ng/g. Các chỉ số này khẳng định quy trình có độ nhạy rất cao, đáp ứng định lượng chính xác các hàm lượng vết trong nền mẫu polyme xenlulozo phức tạp.
  • Độ đúng và độ chụm cao: Đánh giá độ đúng qua hiệu suất thu hồi trên 3 mức nồng độ thêm chuẩn (0,60 ng/g; 1,50 ng/g; 3,00 ng/g) thu được kết quả dao động ổn định từ 94,83% đến 114,33%. Hiệu suất thu hồi trung bình của PFOS đạt từ 103,00% đến 105,06%; PFOA đạt từ 101,61% đến 104,33%. Độ lệch chuẩn tương đối (RSD) của các phép đo lặp lại 6 lần đều duy trì ở mức dưới 5%, chứng minh phương pháp có độ lặp lại và độ tin cậy rất cao.

Thảo luận kết quả

Khả năng chiết xuất tối ưu của methanol bắt nguồn từ tính phân cực mạnh và khả năng solvat hóa hiệu quả các đầu ưa nước carboxylate và sulfonate của chuỗi perfluoroalkyl, trong khi các bọt khí xâm thực từ sóng siêu âm phá vỡ lớp màng chống dính nhân tạo phủ trên bề mặt giấy gói thực phẩm.

Khi so sánh với các nghiên cứu quốc tế, giới hạn phát hiện MDL của phương pháp này (khoảng 0,09 ng/g) nhạy hơn đáng kể so với phương pháp của Moreta (0,9 - 2,2 ng/g) hoặc Zabaleta (0,6 - 2,2 ng/g). Trong các tài liệu tham chiếu quốc tế, hàm lượng PFOA trong bao bì bắp rang bơ từng được ghi nhận dao động từ 4 ng/g đến 1.800 ng/g, và túi giấy chống thấm dầu mỡ có thể chứa tới 223 ng/g PFOA.

Để minh họa trực quan các kết quả phân tích, dữ liệu nghiên cứu có thể được biểu diễn thông qua biểu đồ cột so sánh hiệu suất thu hồi giữa các dung môi chiết (methanol 104% so với acetonitrile 78%) và đồ thị sắc ký đồ MRM thể hiện rõ nét pic định lượng tại các thời điểm lưu 4,99 phút và 5,31 phút mà hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi pic nhiễu nền từ mẫu trắng.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng PFAS: Bộ Y tế cùng Bộ Khoa học và Công nghệ cần xây dựng và ban hành Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia (QCVN) về an toàn bao bì chứa cellulose tiếp xúc thực phẩm trước năm 2025, trong đó quy định mức giới hạn tối đa cho phép đối với PFOA không vượt quá 0,025 mg/kg và PFOS dưới 1,0 mg/kg theo chuẩn mực Liên minh Châu Âu (EU 2020/784).
  • Chuẩn hóa quy trình kiểm nghiệm LC-MS/MS tại các phòng kiểm nghiệm: Cục An toàn thực phẩm cần chỉ đạo chuyển giao và áp dụng rộng rãi quy trình chiết siêu âm kết hợp LC-MS/MS của luận văn cho hệ thống các trung tâm kiểm nghiệm chất lượng trên toàn quốc, hướng tới mục tiêu kiểm soát định kỳ 100% các lô hàng bao bì thực phẩm nhập khẩu và sản xuất nội địa từ năm 2026.
  • Thúc đẩy doanh nghiệp chuyển đổi công nghệ bao bì sinh học: Các hiệp hội ngành nghề và doanh nghiệp sản xuất giấy bao bì cần chủ động loại bỏ hoàn toàn các phụ gia chống thấm gốc fluorochemical mạch C8 trong giai đoạn 2024 - 2027. Thay vào đó, cần ưu tiên nghiên cứu ứng dụng các vật liệu phủ sinh học an toàn như sáp thực vật, tinh bột biến tính hoặc màng axit polylactic (PLA) có khả năng phân hủy sinh học tự nhiên.
  • Tăng cường thanh tra và giám sát thị trường tiêu dùng: Lực lượng Quản lý thị trường phối hợp cùng cơ quan Y tế địa phương thực hiện các đợt hậu kiểm định kỳ 6 tháng một lần đối với bao bì tại các chuỗi thức ăn nhanh, cửa hàng tiện lợi và rạp chiếu phim, nhằm đảm bảo tỷ lệ mẫu bao bì có nguy cơ thôi nhiễm hóa chất độc hại giảm xuống dưới 1% sau 3 năm triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa phân tích, Hóa môi trường: Tiếp cận phương pháp luận khoa học bài bản trong việc phát triển quy trình phân tích lượng vết, kỹ thuật tối ưu hóa điều kiện sắc ký khối phổ hiện đại và quy trình thẩm định giá trị phương pháp (method validation) theo tiêu chuẩn quốc tế.
  • Kỹ thuật viên và chuyên viên phân tích tại các phòng thí nghiệm: Ứng dụng trực tiếp các thông số vận hành thiết bị LC-MS/MS, quy trình chiết siêu âm tối ưu với thể tích 25 mL methanol và công thức tính toán hàm lượng để phục vụ công tác thử nghiệm thường quy.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và các nhà hoạch định chính sách an toàn thực phẩm: Khai thác dữ liệu thực chứng và cơ sở khoa học để hoàn thiện hệ thống văn bản quy phạm pháp luật, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật kiểm soát các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy trong chuỗi cung ứng thực phẩm.
  • Bộ phận R&D tại các doanh nghiệp sản xuất bao bì và chế biến thực phẩm: Đánh giá mức độ rủi ro thôi nhiễm của các hoạt chất PFCs từ bao bì sang thực phẩm, làm cơ sở định hướng cải tiến công nghệ và chuyển dịch sang các dòng bao bì xanh, thân thiện môi trường và an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hợp chất PFOS và PFOA lại thường xuyên xuất hiện trong bao bì thực phẩm? Nhờ khả năng chống dính, kháng nước và chống thấm dầu mỡ vượt trội, PFOS và PFOA được sử dụng phổ biến làm lớp phủ bề mặt cho các loại túi giấy đựng thức ăn nhanh, hộp bắp rang bơ và cốc giấy để ngăn dầu mỡ thấm ra ngoài.

Giới hạn phát hiện (MDL) của phương pháp nghiên cứu trong luận văn đạt mức bao nhiêu? Phương pháp LC-MS/MS phát triển trong luận văn đạt giới hạn phát hiện MDL là 0,090 ng/g đối với PFOS và 0,088 ng/g đối với PFOA, cho phép phát hiện và định lượng chính xác ở dải nồng độ siêu vết cỡ phần tỷ (ppb).

Tại sao phương pháp chiết siêu âm bằng dung môi methanol lại được lựa chọn? Dung môi methanol mang lại hiệu suất thu hồi tối ưu đạt 104% (cao hơn nhiều so với 78% của acetonitrile). Kỹ thuật chiết siêu âm với thể tích 25 mL vừa tiết kiệm hóa chất vừa giải phóng triệt để chất phân tích khỏi cấu trúc nền mẫu.

Mức độ nguy hại và thời gian đào thải của PFOS và PFOA đối với sức khỏe con người ra sao? Hai hợp chất này có khả năng gây suy giảm miễn dịch, tổn thương gan, u tuyến tụy và rối loạn hormone sinh sản. Thời gian đào thải tự nhiên của PFOA và PFOS khỏi cơ thể người rất chậm, kéo dài từ 3,8 đến 5,4 năm.

Quy chuẩn quốc tế hiện nay quy định nồng độ PFOA tối đa cho phép là bao nhiêu? Theo Quy chế (EU) 2020/784 của Liên minh Châu Âu, nồng độ PFOA và các muối của nó trong các hợp chất hoặc sản phẩm thương mại chỉ được phép bằng hoặc thấp hơn ngưỡng 0,025 mg/kg.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công quy trình phân tích đồng thời PFOS và PFOA trong bao bì thực phẩm trên hệ thống LC-MS/MS SCIEX 6500 Triple Quad đạt độ đặc hiệu cao với điểm nhận diện ion IP = 5.
  • Tối ưu hóa thành công điều kiện chiết siêu âm sử dụng 25 mL methanol trong 2 giờ, đạt hiệu suất thu hồi vượt trội trên 104% và tiết kiệm 28,5% lượng dung môi tiêu hao.
  • Thiết lập giới hạn phát hiện MDL đạt 0,090 ng/g (PFOS) và 0,088 ng/g (PFOA), đảm bảo độ nhạy cao và độ lặp lại ổn định với hệ số biến thiên RSD dưới 5%.
  • Đánh giá thực nghiệm trên 15 mẫu bao bì thực phẩm thương mại tại Hà Nội, cung cấp bộ dữ liệu thực chứng có giá trị phục vụ công tác giám sát an toàn vệ sinh thực phẩm.
  • Đóng góp giải pháp khoa học tin cậy hỗ trợ các cơ quan quản lý ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và thúc đẩy doanh nghiệp chuyển đổi sang bao bì sinh học an toàn giai đoạn 2024 - 2030.

Công trình nghiên cứu của tác giả Đoàn Duy Khánh là tài liệu chuyên khảo giá trị cho các nhà nghiên cứu, đơn vị kiểm nghiệm và doanh nghiệp sản xuất. Độc giả quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp quy trình phân tích này để nâng cao năng lực kiểm soát chất lượng và đảm bảo an toàn sức khỏe cộng đồng.