Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới, đóng góp hàng tỷ USD vào kim ngạch xuất khẩu nông sản mỗi năm. Tuy nhiên, ngành lúa gạo đang đối mặt với những rào cản kỹ thuật khắt khe từ các thị trường cao cấp như Nhật Bản, Hoa Kỳ và Liên minh Châu Âu (EU). Theo số liệu từ Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA), lượng gạo xuất khẩu của Việt Nam bị trả về do không đạt chuẩn an toàn thực phẩm đã tăng mạnh từ 4.100 tấn năm 2013 lên hơn 10.000 tấn vào giai đoạn năm 2016. Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng này là sự tồn dư của các hóa chất bảo vệ thực vật vượt quá ngưỡng dư lượng tối đa cho phép (MRL).

Trong số các chất độc hại, nhóm hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo (OCPs) như DDT, Lindane, Endosulfan hay Aldrin được xếp vào nhóm các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs). Dù đã bị cấm sử dụng theo Công ước Stockholm, các hợp chất OCPs vẫn tồn lưu bền vững trong môi trường đất, nước và dễ dàng hấp thu vào hạt lúa qua chuỗi dinh dưỡng, gây nguy cơ ngộ độc mãn tính và ung thư cho người tiêu dùng. Đề tài "Xác định dư lượng hoá chất bảo vệ thực vật cơ clo trong gạo bằng phương pháp QuEChERS kết hợp với sắc ký khí khối phổ hai lần (GC-MS/MS)" được hoàn thành vào tháng 11 năm 2021 trong khuôn khổ dự án nghiên cứu cấp quốc gia mã số TĐNDTP.03/19-21. Nghiên cứu hướng đến mục tiêu xây dựng quy trình phân tích đồng thời 19 hoạt chất OCPs với độ nhạy cao, đạt giới hạn định lượng 10 µg/kg, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn kiểm định nghiêm ngặt SANTE/12682/2019 của Châu Âu nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và nâng cao năng lực cạnh tranh cho hạt gạo Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của hai nền tảng lý thuyết phân tích hóa học hiện đại:

  1. Lý thuyết chiết xuất và làm sạch QuEChERS kết hợp SPE: Kỹ thuật QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Efficient, Rugged, Safe) vận hành dựa trên nguyên lý chiết pha lỏng - lỏng phân tán với dung môi phân cực acetonitrile kết hợp cơ chế muối hóa tách pha bằng hỗn hợp muối đệm citrate EN 15662. Để khắc phục triệt để hiệu ứng nền phức tạp từ tinh bột, lipid và protein của hạt gạo, nghiên cứu kết hợp cột chiết pha rắn (SPE) với hai pha tĩnh hấp phụ chọn lọc là Amin bậc một và bậc hai (PSA) để giữ lại axit béo tự do, cùng vật liệu Octadecylsilyl (C18) để loại bỏ hoàn toàn sáp và lipid không phân cực.
  2. Nguyên lý sắc ký khí ghép nối khối phổ ba tứ cực (GC-MS/MS): Dựa trên quá trình phân tách các chất bay hơi qua cột sắc ký mao quản không phân cực HP5-MS, sau đó chuyển hóa thành các ion phân tử nhờ nguồn va chạm điện tử (EI) ở mức năng lượng chuẩn 70 eV. Hệ thống ba tứ cực (Triple Quadrupole) hoạt động ở chế độ giám sát phản ứng chọn lọc (SRM), trong đó tứ cực thứ nhất lọc ion mẹ đặc trưng, tứ cực thứ hai phân mảnh bằng khí trơ và tứ cực thứ ba ghi nhận ion con đặc hiệu, giúp triệt tiêu hoàn toàn tín hiệu nhiễu đường nền.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm: Chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs), Hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo (OCPs), Giới hạn dư lượng tối đa (MRL), Hiệu ứng nền mẫu (Matrix Effect) và Giới hạn định lượng (LOQ).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Đề tài tiến hành khảo sát thực nghiệm trên 10 mẫu gạo đặc sản Séng Cù thu thập thực tế tại vùng chuyên canh xã Mường Vi, huyện Mường Khương, tỉnh Lào Cai vào vụ thu hoạch tháng 5/2021, cùng hệ thống mẫu trắng và mẫu chuẩn hỗn hợp 19 hoạt chất OCPs ở dải nồng độ từ 1 µg/L đến 200 µg/L.
  • Phương pháp lấy mẫu: Mẫu gạo được lấy ngẫu nhiên theo phương pháp đại diện hình học trên đồng ruộng, sau đó làm khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng, nghiền nhỏ đồng nhất và rây qua cỡ mắt rây 2,0 mm trước khi bảo quản ở nhiệt độ 4°C.
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc lựa chọn GC-MS/MS thay vì các kỹ thuật truyền thống như GC-ECD hay GC-MS đơn tứ cực xuất phát từ yêu cầu phân tích lượng vết với độ chọn lọc cực cao. Nền mẫu gạo chứa hàm lượng tinh bột và chất béo gây nhiễu tín hiệu rất lớn, do đó việc kết hợp quy trình làm sạch cột SPE với chế độ SRM trên đầu dò khối phổ hai lần là giải pháp tối ưu để đạt giới hạn định lượng thấp hơn ngưỡng MRL khắt khe của EU (0,01 - 0,05 mg/kg). Toàn bộ timeline thực nghiệm và tối ưu hóa phương pháp được triển khai liên tục từ năm 2019 đến năm 2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả tối ưu hóa dung môi chiết QuEChERS: Nghiên cứu đã chứng minh hệ dung môi gồm 5 mL nước khử ion kết hợp 10 mL acetonitrile chứa 1% axit axetic cho hiệu suất thu hồi vượt trội trên toàn bộ 19 hợp chất OCPs. Việc bổ sung nước giúp làm trương nở cấu trúc tinh bột hạt gạo, tăng khả năng thẩm thấu của dung môi thêm 25%, trong khi 1% axit axetic giúp ổn định các hợp chất nhạy cảm với pH, nâng hiệu suất thu hồi từ mức 60% (khi chỉ dùng acetonitrile đơn thuần) lên trên 85%.
  2. Khả năng phân tách sắc ký vượt trội: Trên cột mao quản HP5-MS (30 m x 0,25 mm x 0,25 µm), chương trình nhiệt độ từ 70°C đến 280°C đã tách biệt hoàn toàn 19 hợp chất OCPs trong tổng thời gian 27 phút mà không hề xuất hiện hiện tượng chồng chéo pic. Khoảng thời gian lưu dao động từ 8,54 phút đối với Alpha-HCH đến 18,12 phút đối với Methoxychlor.
  3. Thẩm định phương pháp đạt chuẩn quốc tế SANTE/12682/2019: Đường chuẩn xây dựng trên nền mẫu dịch chiết trắng có độ tuyến tính cao với hệ số tương quan R đạt trên 0,998 trong khoảng nồng độ từ 5 đến 100 µg/L. Hiệu suất thu hồi của phương pháp tại mức nồng độ LOQ (10 µg/kg) và mức 5xLOQ (50 µg/kg) dao động ổn định trong khoảng 75% đến 115%. Độ lặp lại của phép phân tích thể hiện qua độ lệch chuẩn tương đối (RSDr) với 6 lần lặp chỉ dao động từ 3,2% đến 11,8%, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng giới hạn quy định 20%.
  4. Kết quả khảo sát mẫu thực tế: Phân tích 10 mẫu gạo Séng Cù tại Lào Cai ghi nhận 100% mẫu đều có hàm lượng dư lượng của 19 hóa chất OCPs nằm dưới giới hạn định lượng LOQ (10 µg/kg) hoặc không phát hiện (ND), chứng minh gạo vùng khảo sát đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.

Thảo luận kết quả

Hiệu ứng nền (Matrix Effect) là thách thức lớn nhất trong phân tích lượng vết bằng sắc ký khí khối phổ. Khi so sánh giữa quy trình làm sạch bằng d-SPE thông thường và quy trình SPE cột C18/PSA kết hợp rửa giải bằng 20 mL dung dịch acetonitrile - toluene (tỷ lệ 3:1), kết quả cho thấy hệ số góc của đường chuẩn trong nền mẫu và trong dung môi n-hexane có độ sai lệch dưới 15%. Điều này khẳng định quy trình SPE cải tiến đã triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng tăng cường hoặc triệt tiêu tín hiệu ion hóa tại đầu dò.

Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa rõ nét qua sắc ký đồ tổng dòng ion (TIC) với các pic sắc nhọn, đối xứng và biểu đồ cột so sánh hiệu suất thu hồi giữa ba hệ dung môi chiết. Bảng thông số khối phổ đã xác lập chi tiết từng cặp ion phân mảnh định lượng và định tính với năng lượng va chạm tối ưu từ 6 eV đến 34 eV cho từng chất. So với phương pháp chiết Soxhlet cổ điển tiêu tốn từ 150 đến 500 mL dung môi độc hại và mất 8 giờ xử lý, phương pháp QuEChERS-SPE trong luận văn chỉ cần 15 mL dung môi, rút ngắn hơn 75% thời gian chuẩn bị mẫu mà vẫn đảm bảo độ tin cậy tương đương.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Chuẩn hóa và ban hành quy trình phân tích tiêu chuẩn quốc gia: Bộ Khoa học và Công nghệ cùng Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cần phối hợp với Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thẩm định để ban hành quy trình QuEChERS kết hợp GC-MS/MS thành Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) trong giai đoạn 2022 - 2024, làm căn cứ pháp lý thống nhất cho hoạt động kiểm nghiệm dư lượng OCPs với mục tiêu kiểm soát 100% các lô hàng gạo xuất khẩu.
  2. Nâng cấp trang thiết bị cho các phòng kiểm nghiệm trọng điểm: Các trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng vùng và các viện kiểm nghiệm an toàn thực phẩm cần đầu tư đồng bộ hệ thống GC-MS/MS ba tứ cực, hướng tới mục tiêu rút ngắn thời gian trả kết quả kiểm nghiệm xuống dưới 48 giờ và giảm 30% chi phí phân tích trên mỗi mẫu thử trước năm 2025.
  3. Thiết lập mạng lưới giám sát dư lượng tại các vùng lúa chuyên canh: Chi cục Trồng trọt và Bảo vệ Thực vật tại các tỉnh trọng điểm xuất khẩu lúa gạo cần triển khai lấy mẫu đất, nước và nông sản định kỳ 6 tháng một lần, đảm bảo tỷ lệ phát hiện dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo duy trì ở mức 0% nhằm duy trì mã số vùng trồng xuất khẩu sang EU và Mỹ.
  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ xử lý mẫu tinh gọn: Hiệp hội Lương thực Việt Nam (VFA) cần phối hợp với các đơn vị nghiên cứu tổ chức các khóa tập huấn kỹ thuật xử lý mẫu QuEChERS và SPE cho cán bộ kỹ thuật của ít nhất 50 doanh nghiệp chế biến và xuất khẩu gạo quy mô lớn trước quý 4 năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Hóa phân tích, Khoa học Môi trường và Độc chất học: Nguồn tài liệu học thuật giá trị để tham khảo phương pháp tối ưu hóa thông số khối phổ hai lần (SRM), cơ chế ion hóa EI và quy trình thẩm định phương pháp theo hướng dẫn quốc tế SANTE/12682/2019.
  • Kỹ thuật viên và chuyên viên phân tích tại các phòng thử nghiệm đạt chuẩn ISO/IEC 17025: Hướng dẫn thực hành chi tiết từng bước từ khâu cân mẫu, chiết QuEChERS, làm sạch cột chiết pha rắn đến cài đặt điều kiện thiết bị GC-MS/MS với thông số phân mảnh cụ thể cho 19 hoạt chất OCPs.
  • Bộ phận quản lý chất lượng (QA/QC) và R&D tại các doanh nghiệp xuất khẩu gạo: Cung cấp giải pháp kỹ thuật tự kiểm soát chất lượng nguyên liệu đầu vào, đánh giá nguy cơ nhiễm bẩn hóa chất tồn lưu khó phân hủy trước khi đóng gói xuất khẩu sang các thị trường khó tính.
  • Cơ quan quản lý nhà nước về an toàn thực phẩm và bảo vệ môi trường: Tài liệu tham khảo hữu ích để xây dựng các hàng rào kỹ thuật, hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản và quản lý các điểm nóng ô nhiễm hóa chất POPs.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận văn lựa chọn kết hợp QuEChERS với cột làm sạch SPE thay vì kỹ thuật d-SPE thông thường?
Nền mẫu gạo chứa tỷ lệ chất béo, sáp và tinh bột cao dễ gây bẩn buồng ion hóa và làm tắc cột sắc ký. Kỹ thuật d-SPE thông thường không loại bỏ triệt để các hợp chất không phân cực này. Việc kết hợp cột SPE nhồi C18 và PSA giúp giữ lại tối đa tạp chất, giảm thiểu hiệu ứng nền xuống dưới 15% và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

2. Giới hạn định lượng (LOQ) của quy trình có đáp ứng được tiêu chuẩn nghiêm ngặt của Liên minh Châu Âu không?
Quy trình đạt giới hạn định lượng đồng nhất cho các chất là 10 µg/kg (tương đương 0,01 mg/kg). Giá trị này hoàn toàn nhỏ hơn hoặc bằng ngưỡng dư lượng tối đa cho phép (MRL) theo quy định của Liên minh Châu Âu đối với các hợp chất cơ clo trong gạo (thường dao động từ 0,01 đến 0,05 mg/kg).

3. Ưu điểm nổi bật của hệ thống GC-MS/MS ba tứ cực so với các đầu dò GC-ECD hay GC-MS đơn tứ cực là gì?
GC-MS/MS vận hành ở chế độ phân mảnh hai lần (SRM), chọn lọc chính xác ion mẹ và ion con đặc trưng của từng hợp chất OCPs. Cơ chế này loại bỏ hoàn toàn nhiễu đồng khối lượng từ nền mẫu phức tạp, mang lại độ nhạy cao gấp 10 đến 50 lần so với đầu dò đơn tứ cực và tránh hiện tượng dương tính giả của đầu dò ECD.

4. Quy trình xử lý mẫu trong đề tài giúp tiết kiệm chi phí và thời gian như thế nào?
Phương pháp QuEChERS-SPE chỉ tiêu tốn khoảng 15 mL acetonitrile và 20 mL hỗn hợp rửa giải cho mỗi mẫu thử, giảm hơn 80% lượng dung môi độc hại so với chiết Soxhlet truyền thống (150 - 500 mL). Đồng thời, thời gian xử lý một mẻ mẫu được rút ngắn từ 8 giờ xuống còn khoảng 60 phút.

5. Kết quả phân tích trên 10 mẫu gạo Séng Cù tại Lào Cai cho thấy thực trạng gì về ô nhiễm OCPs hiện nay?
Toàn bộ 10 mẫu gạo Séng Cù khảo sát đều có dư lượng 19 chất OCPs ở mức không phát hiện hoặc dưới ngưỡng định lượng 10 µg/kg. Kết quả này phản ánh tập quán canh tác tại địa phương không còn sử dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật cấm, đồng thời đất và nguồn nước tưới tại vùng Mường Vi không bị ô nhiễm tồn lưu hóa chất cơ clo.

Kết luận

  • Xây dựng thành công quy trình phân tích tiên tiến: Thiết lập hoàn chỉnh quy trình chiết xuất QuEChERS cải tiến kết hợp làm sạch bằng cột SPE và phân tích trên thiết bị sắc ký khí khối phổ hai lần (GC-MS/MS).
  • Phân tích đồng thời 19 hóa chất cơ clo độc hại: Tách và định lượng chính xác 19 hoạt chất OCPs chỉ trong một lần tiêm mẫu với thời gian chạy sắc ký tối ưu 27 phút.
  • Thẩm định phương pháp đạt chuẩn quốc tế: Các chỉ số độ tuyến tính (R > 0,998), độ thu hồi (75% - 115%) và độ lặp lại (RSDr < 12%) tại mức LOQ 10 µg/kg đều đáp ứng xuất sắc hướng dẫn SANTE/12682/2019 của Châu Âu.
  • Ý nghĩa thực tiễn cao: Khẳng định chất lượng an toàn của sản phẩm gạo Séng Cù Lào Cai và cung cấp công cụ kỹ thuật tin cậy phục vụ công tác kiểm soát chất lượng nông sản xuất khẩu.
  • Định hướng ứng dụng: Trong thời gian tới, quy trình cần được mở rộng thẩm định trên các nền mẫu ngũ cốc, rau củ và trái cây khác để sớm chuyển giao ứng dụng rộng rãi tại các trung tâm kiểm nghiệm trên toàn quốc.