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 (1)

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
1.1

TỔNG QUAN ..................................................................................5

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
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

3.1.4

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
acetamide)

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.

- 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

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%

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


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

UAE thƣờng chỉ áp dụng đối với những mẫu có nền không phức tạp.
1.2.1.3 Chiết Soxhlet
Là phƣơng pháp truyền thống, phát triển từ phƣơng pháp LSE và đƣợc sử
dụng phổ biến cho tách chiết phân tích dƣ lƣợng HCBVTV trong mẫu rắn nói chung
cũng nhƣ mẫu đất nói riêng. Cho tới nay, phƣơng pháp này vẫn đƣợc sử dụng nhiều
trên thế giới và cũng là phƣơng pháp tiêu chuẩn của nhiều tổ chức và quốc gia trong
đó có Việt Nam. Trong phƣơng pháp này, mẫu đƣợc chiết liên tục với nhiều chu kỳ
bằng dung môi sạch. Chính vì vậy, Soxhlet có hiệu suất thu hồi cao tuy nhiên lƣợng
hóa chất sử dụng lớn (150 – 500 ml/mẫu) và thời gian xử lý kéo dài (từ 8 - 36
tiếng).
1.2.1.4 Chiết siêu tới hạn (Supercritical fluid extraction – SFE) [77]
SFE đƣợc phát triển gần đây cho việc chiết nhanh, chọn lọc những chất cần
phân tích khỏi mẫu rắn bằng chất lỏng (dung môi) ở trạng thái siêu tới hạn (tạo
đƣợc khi đƣa chất lỏng tới nhiệt độ và áp suất cao hơi giá trị tới hạn). Ở trạng thái
siêu tới hạn, chất lỏng sẽ không còn ở thể lỏng nhƣng vẫn chƣa thành thể khí (Hình
1.1) và có thể dễ dàng thẩm thấu vào chất rắn, hòa tan chất cần phân tích.

Hình 1.1 Các trạng thái vật lý theo nhiệt độ vào áp suất
Trong SFE, CO2 thƣờng đƣợc sử dụng vì có thể dễ đạt đƣợc nhiệt độ và áp
11


suất tới hạn (31oC và 73 atm). Ngoài ra, CO2 có giá thành thấp, bền về mặt hóa học,
không độc, không cháy, độ nhớt thấp, độ tinh khiết cao, khả năng khuếch tán cao,
dễ loại ra khỏi dịch chiết. Tuy nhiên, CO2 là chất kém phân cực do đó thƣờng đƣợc
dùng để chiết các chất không phân cực hoặc phân cực yếu, không phù hợp để chiết
các chất phân cực.
Hình 1.2 mô tả một bộ dụng cụ SFE. Quá trình chiết gồm các bƣớc:
-

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

1.2.1.5 Chiết pha rắn (Solid phase extraction – SPE)
Kỹ thuật chiết pha rắn đƣợc giới thiệu vào giữa những năm 70 của thế kỷ
trƣớc và đƣợc sử dụng rộng rãi để làm sạch, làm giàu mẫu trƣớc khi phân tích.
Phƣơng pháp dựa vào sự phân tán, hấp phụ của chất tan (gồm chất phân tích, tạp
chất) giữa 2 pha lỏng (mẫu, dịch chiết) - rắn (chất hấp phụ) và qua các giai đoạn:
-

Chuẩn bị, hoạt hóa cột chiết: nạp pha rắn với chủng loại và khối lƣợng
thích hợp, loại bỏ bọt khí, hoạt hóa nhóm hoạt động (khi cần thiết)

-

Hấp phụ: chất phân tích và tạp chất cần làm sạch đƣợc hấp phụ trên pha
rắn của cột chiết

-

Rửa giải: chất cần phân tích đƣợc tách khỏi tạp chất thông qua việc rửa
giải với các loại dung môi và thời gian khác nhau. Dung dịch sau đó đƣợc
cô cạn đến thể tích phù hợp và phân tích trên thiết bị.

Có nhiều loại pha rắn khác nhau đã đƣợc sử dụng cho quá trình SPE theo
hình thức đơn lẻ hay kết hợp. Một số pha rắn phổ biến là:
-

Silicagel: có cấu trúc (SiO2)x và có gắn các nhóm hydroxyl (OH) hay còn
gọi là silanol. Silicagel có tính a xít, phân cực mạnh và dễ hấp phụ các
chất có độ phân cực cao (nhƣ các a xít béo), đôi khi cả chất cần phân tích.
Do đó, trong một số trƣờng hợp cần giảm bớt hoạt tính bằng cách bổ sung

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 pha rắn đƣợc phát triển trên cơ sở SPE bởi Pawliszyn vào năm 1989.
Chất phân tích trong mẫu đƣợc hấp phụ trên vật liệu hấp phụ rắn, xốp (pha rắn) trên
bề mặt sợi silica hoặc sợi kim loại nhỏ. Sau khi cân bằng hấp phụ đƣợc thiết lập
(2÷30 phút), chất phân tích lƣu giữ trên pha rắn đƣợc giải hấp bằng nhiệt và phân
tích trên sắc ký (hình 1.3)..
Tuỳ thuộc vào cách lấy mẫu, ngƣời ta phân làm 2 loại SPME: immersion
SPME (loại nhúng) và headspace SPME (loại không gian hơi). Vật liệu hấp phụ phổ
biến nhất là poly dimethylsiloxan (PDMS) có bề dày thay đổi khoảng từ 7 đến 100
um. Quá trình cân bằng của chất phân tích giữa nƣớc và màng PDMS phụ thuộc vào
sự khuếch tán và hằng số phân bố của chất phân tích. Để độ chính xác và độ lặp lại
cao, cần giữ cố định các thông số: thời gian hấp phụ, kích thƣớc lọ mẫu, thể tích
mẫu, độ sâu của sợi SPME... Ngày nay, đã có bộ phận ghép nối giữa SPME và hệ
thống sắc ký rất thuận lợi cho việc phân tích tự động

Hình 1.3 Chiết và giải hấp trong vi chiết pha rắn (SPME) [10]

14


1.2.1.7 Chiết pha rắn phân tán với mẫu (Matrix Solid Phase Dispersion - MSPD)

Hình 1.4 Các bƣớc trong kỹ thuật MSPD [12]
Năm 1989, kỹ thuật chiết MSPD đƣợc Barker và cộng sự tìm ra. Nguyên tắc
của kỹ thuật MSPD là mẫu đƣợc nghiền, trộn và phân tán đều cùng với các chất hấp
phụ rắn và sau đó đƣợc rửa giải với một lƣợng dung môi nhỏ. Các bƣớc thực hiện
kỹ thuật MSPD đƣợc thể hiện trong hình 1.4. [11, 15]
1.2.1.8 Vi chiết pha lỏng (Liquid phase micro extraction – LPME)
Vi chiết pha lỏng là sự phối hợp các ƣu điểm giữa kỹ thuật LLE và kỹ thuật
SPME nhằm giảm lƣợng dung môi tiêu tốn (từ vài trăm ml xuống còn vài ul).
LPME có thể chia thành 3 loại chính:

- 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