Phân Tích và Đánh Giá Các Phương Pháp Chiết Tách Hóa Chất Bảo Vệ Thực Vật

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHAP CHIẾT TÁCH LAM GIAU MẪU TRONG PHAN TÍCH

1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CONG CU PHAN TÍCH HOÁ CHAT BẢO VỆ THỰC VẬT (HCBVTV)

1.2.1. Một số phương pháp phân tích công cụ tiêu biểu: sắc ký lỏng cao áp (HPLC), sắc ký khí (GC)

1.2.2. Phương pháp phân tích hấp phụ miễn dịch gắn enzym (ELISA)

1.3. TỔNG QUAN VỀ CÁC NHÓM HOA CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT ĐƯỢC ĐỀ CẬP ĐẾN TRONG LUẬN ÁN

1.3.1. Đặc tính chung của các nhóm HCBVTV cơ clo - cơ clo họ xyclodien, nhóm cơ phôtpho, nhóm pyrethroit

1.3.2. Dư lượng của các nhóm HCBVTV cơ clo - cơ clo họ xyclodien, nhóm cơ phôtpho, nhóm pyrethroit trong môi trường

1.4. CÁC ĐÁNH GIÁ RÚT RA TỪ PHẦN TỔNG QUAN

1.4.1. Đánh giá các phương pháp chiết tách làm giàu mẫu

1.4.2. Đánh giá các phương pháp phân tích công cụ xác định ay HCBVTV

2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM

2.1. PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

2.1.1. Phạm vi nghiên cứu

2.1.2. Mục tiêu nghiên cứu

2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1. Phương pháp lấy mẫu rau, đất, nước và bảo quản mẫu

2.2.2. Phương pháp xây dựng quy trình chiết đa dư lượng HCBVTV bằng kỹ thuật SPME và LPME

2.2.3. Phương pháp phân tích mẫu thật

2.2.3.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất làm thí nghiệm

2.2.3.2. Sử dụng phương pháp ELISA phân tích mẫu nước, mẫu rau và mẫu đất

2.2.3.3. Xây dựng, đánh giá và áp dụng phương pháp SPME kết hợp GC-ECD phân tích mẫu nước và mẫu đất

2.2.3.4. Xây dựng, đánh giá và áp dụng phương pháp LPME kết hợp GC-ECD phân tích mẫu nước

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. KẾT QUẢ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ELISA PHÂN TÍCH MẪU NƯỚC, MẪU RAU VÀ MẪU ĐẤT

3.1.1. Phân tích HCBVTV họ xyclodien bằng phương pháp ELISA

3.1.2. Đánh giá phương pháp ELISA

3.2. KẾT QUẢ XÂY DỰNG, ĐÁNH GIÁ VÀ ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP VI CHIẾT PHA RẮN SPME KẾT HỢP GC-ECD PHÂN TÍCH MẪU NƯỚC VÀ MẪU ĐẤT

3.2.1. Chế tạo dụng cụ SPME

3.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả chiết mẫu nước

3.2.3. Xây dựng đường chuẩn hấp thu

3.2.4. Đánh giá phương pháp SPME chiết HCBVTV khỏi mẫu nước và quy trình SPME/GC-ECD phân tích mẫu nước

3.2.5. Kết quả sử dụng quy trình SPME/GC-ECD phân tích mẫu nước thực tế

3.2.6. Khảo sát và tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả chiết HCBVTV cơ clo, cơ phôtpho, pyrethroit từ mẫu đất bằng HS-SPME

3.2.7. Xây dựng đường chuẩn phân bố phục vụ phân tích mẫu đất

3.2.8. Đánh giá phương pháp HS-SPME chiết HCBVTV khỏi mẫu đất và phương pháp HS-SPME/GC-ECD phân tích mẫu đất

3.2.9. Áp dụng phương pháp HS-SPME/GC-ECD phân tích mẫu đất thực tế

3.3. KẾT QUẢ XÂY DỰNG, ĐÁNH GIÁ VÀ ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP LPME KẾT HỢP GC-ECD PHÂN TÍCH MẪU NƯỚC

3.3.1. Chọn loại dung môi và thể tích giọt dung môi

3.3.2. Xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình vi chiết

3.3.3. Xây dựng đường chuẩn hấp thu để phân tích mẫu nước

3.3.4. Đánh giá phương pháp LPME chiết HCBVTV khỏi mẫu nước

3.3.5. Kết quả áp dụng phương pháp LPME/GC-ECD phân tích mẫu nước thực tế

KẾT LUẬN

NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CÁC PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Phương Pháp Chiết Tách HCBVTV Giới Thiệu Chi Tiết

Việc phân tích dư lượng HCBVTV trong môi trường và thực phẩm là vô cùng quan trọng để đảm bảo an toàn sức khỏe cộng đồng và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, nồng độ HCBVTV thường rất thấp, đôi khi dưới ngưỡng phát hiện của các thiết bị hiện đại. Thêm vào đó, thành phần mẫu thường phức tạp, gây khó khăn cho việc phân tích trực tiếp. Quá trình phân tích dư lượng HCBVTV thường bao gồm hai bước chính: chiết tách, làm giàu và làm sạch mẫu; và phân tích định lượng bằng các thiết bị. Chiết tách và làm giàu mẫu là công đoạn tốn nhiều thời gian và công sức nhất, nhưng lại đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo độ chính xác của kết quả phân tích. Tùy thuộc vào đặc tính của mẫu và HCBVTV cần phân tích, nhiều kỹ thuật chiết tách khác nhau đã được phát triển và ứng dụng. Chương này trình bày tổng quan về các kỹ thuật chiết tách truyền thống và hiện đại để phân tích đa dư lượng HCBVTV trong các mẫu môi trường.

1.1. Kỹ Thuật Chiết Tách HCBVTV Truyền Thống Ưu và Nhược Điểm

Các kỹ thuật chiết tách truyền thống như chiết lỏng-lỏng (LLE) và chiết Soxhlet vẫn được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản và chi phí thấp. Chiết lỏng-lỏng dựa trên sự phân bố của chất phân tích giữa hai pha lỏng không trộn lẫn. Tuy nhiên, phương pháp này tiêu tốn nhiều dung môi, gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe. Chiết Soxhlet sử dụng dung môi tuần hoàn để chiết chất phân tích từ mẫu rắn. Phương pháp này có hiệu quả cao, nhưng thời gian chiết kéo dài. Theo các nghiên cứu, chiết lỏng-lỏng thường sử dụng các dung môi như dichloromethane để chiết đồng thời các HCBVTV nhóm cơ clo và cơ phôtpho. Mẫu sau chiết thường được làm giàu bằng cách cô đặc dung môi bằng dòng khí nitrogen sạch. Ưu điểm lớn nhất của chiết lỏng-lỏng là quy trình đơn giản, dễ thực hiện, nhược điểm lớn nhất chính là tốn dung môi và thời gian. Chiết lỏng-rắn Soxhlet thích hợp cho các mẫu đất, trầm tích, các mẫu rắn có độ phức tạp cao.

1.2. Chiết Pha Rắn SPE Giải Pháp Tối Ưu Cho Phân Tích HCBVTV

Chiết pha rắn (SPE) là một kỹ thuật chiết tách hiện đại, cho phép làm giàu và làm sạch chất phân tích từ mẫu lỏng bằng cách sử dụng cột chứa chất hấp phụ rắn. Chất phân tích được hấp phụ chọn lọc lên pha rắn, sau đó được rửa giải bằng dung môi phù hợp. SPE có nhiều ưu điểm so với LLE, bao gồm: giảm thiểu sử dụng dung môi, hiệu suất thu hồi cao, khả năng tự động hóa dễ dàng và khả năng làm sạch mẫu tốt hơn. Theo một nghiên cứu, SPE với các pha rắn như cacbopack B (GCB) và XAD-4 được sử dụng rộng rãi để chiết đa dư lượng HCBVTV. GCB hiệu quả trong việc chiết các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc trừ sâu cơ clo, triazine, phenol, cloaniline và hydrocarbon thơm. XAD-4 được ưa chuộng cho các chất phân cực trong nước, các chất hoạt động bề mặt và các HCBVTV có tính thơm. Ưu điểm của chiết pha rắn so với các phương pháp chiết truyền thống là tiết kiệm dung môi, khả năng làm giàu mẫu cao, dễ dàng tự động hóa và hiệu suất thu hồi cao.

II. Vi Chiết Pha Rắn SPME Ứng Dụng Trong Phân Tích HCBVTV

Vi chiết pha rắn (SPME) là một kỹ thuật chiết tách không dung môi, được phát triển vào cuối những năm 1980. SPME dựa trên sự hấp phụ của chất phân tích lên một sợi silica phủ một lớp vật liệu hấp phụ. Sợi này sau đó được đưa trực tiếp vào thiết bị phân tích, nơi chất phân tích được giải hấp và định lượng. SPME có nhiều ưu điểm, bao gồm: đơn giản, nhanh chóng, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Kỹ thuật SPME có thể được sử dụng để chiết HCBVTV từ mẫu nước, đất và không khí. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các dụng cụ SPME thương mại và sợi pha tĩnh có thể dùng lại từ vài chục lần. SPME là một kỹ thuật đang được sử dụng rộng rãi trong phân tích HCBVTV vì những ưu điểm vượt trội của nó so với các kỹ thuật truyền thống.

2.1. Cơ Chế Hoạt Động Của Kỹ Thuật Vi Chiết Pha Rắn

Kỹ thuật SPME bao gồm hai bước chính: (1) phân bố chất phân tích giữa mẫu và pha tĩnh của sợi chiết, và (2) giải hấp chất phân tích từ pha tĩnh và chuyển vào thiết bị phân tích. Để thực hiện quá trình chiết, mẫu (lỏng hoặc rắn) được đặt trong một lọ kín. Sợi chiết được đưa vào mẫu để hấp phụ chất phân tích. Sau khi đạt trạng thái cân bằng, sợi chiết được đưa vào thiết bị phân tích để giải hấp và định lượng. Sợi chiết có thể được phủ các vật liệu khác nhau, như polydimethylsiloxane (PDMS) hoặc polyacrylate (PA), để tăng khả năng hấp phụ các HCBVTV khác nhau. Quá trình chiết diễn ra theo nguyên tắc hấp thu các chất hữu cơ từ pha nước hoặc pha khí lên sợi chiết, sau đó được giải hấp bằng nhiệt hoặc dung môi. Hệ thống SPME hiện nay có nhiều loại thương mại, cho phép sợi pha tĩnh được sử dụng lại nhiều lần.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Chiết SPME

Hiệu quả chiết SPME phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm: loại pha tĩnh, thời gian chiết, nhiệt độ, pH, độ mặn và tốc độ khuấy. Loại pha tĩnh phải phù hợp với tính chất của chất phân tích. Thời gian chiết cần đủ để đạt trạng thái cân bằng. Nhiệt độ cao hơn thường làm tăng tốc độ chiết, nhưng cũng có thể làm giảm khả năng hấp phụ. pH và độ mặn có thể ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của chất phân tích. Tốc độ khuấy giúp tăng cường sự tiếp xúc giữa pha tĩnh và mẫu. Vì SPME là một kỹ thuật cân bằng, chất phân tích không được chiết hoàn toàn khỏi nền mẫu. Để định lượng, cần dựng đường chuẩn để xác định nồng độ của chất cần phân tích trong nền mẫu. Các yếu tố này cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả chiết cao nhất.

III. Vi Chiết Pha Lỏng LPME Giải Pháp Thay Thế Tiềm Năng Cho SPME

Vi chiết pha lỏng (LPME) là một kỹ thuật chiết tách vi mô, sử dụng một giọt dung môi hữu cơ không trộn lẫn với nước để chiết chất phân tích từ mẫu. LPME có nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật chiết tách khác, bao gồm: sử dụng lượng dung môi rất nhỏ, đơn giản, nhanh chóng và chi phí thấp. LPME có thể được sử dụng để chiết HCBVTV từ mẫu nước, đất và sinh vật. Ưu điểm nổi bật là chi phí thấp do sử dụng lượng dung môi rất nhỏ, quá trình thực hiện đơn giản và nhanh chóng. Đây có thể là giải pháp thay thế tiềm năng cho SPME trong một số ứng dụng.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Của Vi Chiết Pha Lỏng LPME

Trong LPME, một giọt dung môi hữu cơ (ví dụ: octanol) được treo ở đầu một kim tiêm và tiếp xúc với mẫu nước. Chất phân tích sẽ di chuyển từ pha nước vào giọt dung môi hữu cơ. Sau khi chiết, giọt dung môi được thu lại và đưa vào thiết bị phân tích. Hiệu quả chiết phụ thuộc vào sự phân bố của chất phân tích giữa pha nước và pha hữu cơ. Quá trình chiết được thực hiện bằng cách sử dụng giọt dung môi hữu cơ không tan trong nước, được giữ ở đầu kim tiêm của xyranh, để chiết chất phân tích từ dung dịch nước hoặc từ không gian hơi của mẫu. Sự lựa chọn dung môi là yếu tố then chốt trong LPME, cần đảm bảo khả năng hòa tan tốt chất phân tích và không trộn lẫn với nước.

3.2. Ứng Dụng Của LPME Trong Phân Tích HCBVTV

LPME đang được sử dụng ngày càng nhiều trong phân tích HCBVTV nhờ khả năng chiết chọn lọc và làm giàu chất phân tích từ các mẫu phức tạp. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích cho việc phân tích các HCBVTV có độ phân cực khác nhau. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng LPME có thể được kết hợp với các kỹ thuật phân tích khác như sắc ký khí (GC) và sắc ký lỏng (LC) để tăng độ nhạy và độ chọn lọc của phương pháp phân tích. Do yêu cầu về lượng dung môi rất nhỏ, LPME rất thân thiện với môi trường, giúp giảm thiểu chi phí xử lý chất thải và bảo vệ sức khỏe của người sử dụng. LPME có tiềm năng lớn trong việc thay thế các phương pháp chiết tách truyền thống trong lĩnh vực phân tích HCBVTV.

IV. Phương Pháp ELISA Phân Tích Nhanh HCBVTV Đánh Giá Ưu Điểm

Phương pháp hấp phụ miễn dịch liên kết enzyme (ELISA) là một kỹ thuật phân tích nhanh, đơn giản và chi phí thấp, được sử dụng để phát hiện và định lượng các chất ô nhiễm, bao gồm cả HCBVTV. ELISA dựa trên sự liên kết đặc hiệu giữa kháng thể và kháng nguyên. Trong phân tích HCBVTV, kháng thể được gắn vào một bề mặt rắn, sau đó mẫu được thêm vào. Nếu mẫu chứa HCBVTV, chúng sẽ liên kết với kháng thể. Sau đó, một enzyme được thêm vào để tạo ra một phản ứng màu có thể được đo bằng máy quang phổ. ELISA được sử dụng rộng rãi để sàng lọc dư lượng HCBVTV trong các mẫu thực phẩm và môi trường.

4.1. Cơ Chế Phản Ứng Trong Phương Pháp ELISA Xác Định HCBVTV

ELISA hoạt động dựa trên nguyên tắc nhận biết đặc hiệu giữa kháng thể và kháng nguyên. Kháng thể đặc hiệu với HCBVTV cần phân tích được gắn lên một bề mặt. Mẫu được thêm vào, và nếu có HCBVTV, chúng sẽ liên kết với kháng thể. Sau đó, một kháng thể thứ cấp gắn enzyme được thêm vào, liên kết với phức hợp kháng thể-kháng nguyên. Cuối cùng, một cơ chất được thêm vào, và enzyme sẽ chuyển đổi cơ chất thành một sản phẩm có màu, có thể đo được bằng quang phổ. Cường độ màu tỷ lệ với nồng độ HCBVTV trong mẫu. Phương pháp này được đánh giá là có tính chọn lọc cao và phù hợp với việc phân tích số lượng lớn mẫu.

4.2. Ưu Điểm Và Hạn Chế Của Phương Pháp ELISA

ELISA có nhiều ưu điểm, bao gồm: nhanh chóng, đơn giản, chi phí thấp, độ nhạy cao và khả năng phân tích số lượng lớn mẫu. Tuy nhiên, ELISA cũng có một số hạn chế, bao gồm: tính đặc hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi các chất tương tự, và cần có kháng thể đặc hiệu cho từng loại HCBVTV. Dù vậy, nhờ những ưu điểm vượt trội, ELISA vẫn là một công cụ hữu hiệu để sàng lọc nhanh dư lượng HCBVTV trong nhiều loại mẫu khác nhau. Do ELISA yêu cầu các enzym đặc trưng chọn lọc cho từng loại HCBVTV một nên nó không mở rộng được cho nhiều loại TTS (thuốc trừ sâu).

V. Ứng Dụng Kết Hợp GC ECD GC MS Phân Tích HCBVTV Hiệu Quả

Sắc ký khí (GC) là một kỹ thuật phân tích mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi để phân tích các hợp chất hữu cơ bay hơi, bao gồm cả HCBVTV. GC thường được kết hợp với các detector khác nhau, như detector bắt giữ điện tử (ECD) và khối phổ (MS), để tăng độ nhạy và độ chọn lọc của phương pháp phân tích. GC-ECD rất nhạy đối với các hợp chất chứa halogen, như HCBVTV clo hữu cơ. GC-MS cung cấp thông tin về cấu trúc của chất phân tích, giúp xác định chính xác HCBVTV.

5.1. Ưu Điểm Của GC ECD Trong Phân Tích HCBVTV Clo Hữu Cơ

Detector bắt giữ điện tử (ECD) là một detector rất nhạy đối với các hợp chất chứa halogen, như clo. Do đó, GC-ECD là một kỹ thuật rất hiệu quả để phân tích HCBVTV clo hữu cơ. ECD có thể phát hiện HCBVTV clo hữu cơ ở nồng độ rất thấp, cho phép phân tích dư lượng HCBVTV trong các mẫu môi trường và thực phẩm. Tính chọn lọc cao của ECD đối với các hợp chất halogen giúp giảm thiểu nhiễu từ các chất nền, làm tăng độ chính xác của kết quả phân tích.

5.2. Xác Định Cấu Trúc HCBVTV Bằng GC MS Phân Tích Độ Tin Cậy Cao

Sắc ký khí khối phổ (GC-MS) là một kỹ thuật phân tích mạnh mẽ, cung cấp thông tin về cấu trúc của chất phân tích. Trong GC-MS, các hợp chất được tách ra bằng GC, sau đó được ion hóa và phân tích khối lượng. Phổ khối lượng thu được cung cấp thông tin về khối lượng phân tử và các mảnh ion đặc trưng của chất phân tích, cho phép xác định chính xác HCBVTV. GC-MS được sử dụng rộng rãi để xác nhận kết quả phân tích thu được từ các phương pháp khác, và để xác định các HCBVTV chưa biết.

VI. Kết Luận Xu Hướng Và Tương Lai Của Chiết Tách HCBVTV

Phân tích HCBVTV đòi hỏi các phương pháp chiết tách hiệu quả để làm giàu và làm sạch mẫu trước khi phân tích định lượng. Các kỹ thuật chiết tách truyền thống như LLE và chiết Soxhlet vẫn được sử dụng, nhưng đang dần được thay thế bởi các kỹ thuật hiện đại như SPE, SPME và LPME. Các kỹ thuật này có nhiều ưu điểm, bao gồm giảm thiểu sử dụng dung môi, hiệu suất thu hồi cao và khả năng tự động hóa. Xu hướng hiện nay là phát triển các phương pháp chiết tách nhanh, đơn giản và thân thiện với môi trường. Trong tương lai, các kỹ thuật chiết tách vi mô và tự động hóa sẽ đóng vai trò quan trọng trong phân tích HCBVTV.

6.1. Phát Triển Các Phương Pháp Chiết Tách Xanh Bền Vững Cho Tương Lai

Hướng tới sự phát triển bền vững, các phương pháp chiết tách xanh đang được ưu tiên phát triển. Các phương pháp này tập trung vào việc giảm thiểu sử dụng dung môi độc hại, giảm lượng chất thải và tiết kiệm năng lượng. Sử dụng dung môi thay thế thân thiện với môi trường, như nước, ethanol và carbon dioxide siêu tới hạn, là một trong những hướng đi quan trọng. Các kỹ thuật chiết tách không dung môi, như SPME và LPME, cũng đóng góp vào việc giảm thiểu tác động đến môi trường. Nghiên cứu và phát triển các phương pháp chiết tách xanh là cần thiết để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

6.2. Tự Động Hóa Quy Trình Chiết Tách Nâng Cao Hiệu Quả Phân Tích

Tự động hóa quy trình chiết tách giúp nâng cao hiệu quả phân tích, giảm thiểu sai sót do con người và tăng năng suất. Các hệ thống tự động hóa có thể thực hiện các bước chiết tách, làm sạch và làm giàu mẫu một cách chính xác và lặp lại. Tự động hóa đặc biệt hữu ích cho việc phân tích số lượng lớn mẫu. Các hệ thống tự động hóa chiết tách hiện đại có thể được tích hợp với các thiết bị phân tích khác, như GC và LC, để tạo thành một quy trình phân tích hoàn chỉnh và khép kín. Tự động hóa quy trình chiết tách là một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực phân tích HCBVTV.