Dùng các phương pháp thống kê vào tối ưu điều kiện phân tích hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo trên thiết bị sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC MS)

Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học Tập 24, Số 4A/2019 DÙNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ VÀO TỐI ƯU ĐIỀU KIỆN PHÂN TÍCH HÓA CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT CƠ CLO TRÊN THIẾT BỊ SẮC KÝ KHÍ GHÉP NỐI KHỐI PHỔ (GC MS)[.]

Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 24, Số 4A/2019 DÙNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ VÀO TỐI ƯU ĐIỀU KIỆN PHÂN TÍCH HĨA CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT CƠ CLO TRÊN THIẾT BỊ SẮC KÝ KHÍ GHÉP NỐI KHỐI PHỔ (GC-MS) Đến tịa soạn 10-04-2019 Lê Quang Hưởng, Trần Hải Anh, Vũ Đức Nam, Nguyễn Quang Trung Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao Công nghệ, Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Phạm Thị Ngọc Mai Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN SUMMARY APPLICATION OF STATISTICAL METHODS ON OPTIMIZATION OF ANALYTICAL PROCEDURE FOR ORGANIC CHLORINATED PESTICIDES (OCPS) DETERMINATION BY GAS CHROMATOGRAPHY- MASS SPECTROSCOPY (GC-MS) The analytical procedure for determination of 20 organic chlorinated pesticides (OCPs) was optimized on Gas Chromatography-Mass Spectroscopy (GC-MS) instrument using experimental optimization Results show that the most important parameter that affects the analytical signal is carrier gas flow rate The optimum Helium gas carrier flow rate was found to be 1.4 mL/min, injection port temperature 2300C and transferline temperature 2800C The mixed standard of 20 OCPs were calibrated and evaluated using single standards, with mean comparison method (n = 10) All 20 OCPs represent calibration curves with high linearity in the concentration range of 10 ppb to 200 ppb The limit of detection (LOD) values lie between 0.48 to 1.03 ng/mL, RSD% from 0.6-3.6%, recoveries from 91.1 to 107.7%, satisfying AOAC requirements for trace analysis The developed procedure can be applied on analysis of OCPs by GC-MS Keywords: OCPs, GC-MS, experimental optimization … vật sử dụng phổ biến hai thập kỷ qua để chống lại sâu bệnh nông nghiệp công nghiệp [1,2] Tuy nhiên 16/20 OCP bị cấm đặc tính bền vững môi trường tự nhiên, thời gian bán phân huỷ dài, bị đào thải dễ dàng bị tích luỹ vào thể sinh vật qua chuỗi thức ăn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sức khỏe cộng đồng Các OCP xem có khả hoạt động giả hocmôn (pseudohormones), phá vỡ hệ thống MỞ ĐẦU* Ô nhiễm thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) vấn đề môi trường quan tâm Việt Nam Dựa theo cấu trúc hóa học tính chất vật lý, thuốc bảo vệ thực vật chia thành nhóm bao gồm nhóm thuốc bảo vệ thực vật phốt pho, carbamate, pyrethoids, clo [1] Nhóm thuốc bảo vệ thực vật clo (OCP) với đại diện Aldrin, Dieldrin, DDT, Heptachlo, Lindan, Methoxychlor,.v.v nhóm thuốc bảo vệ thực 76 tử 2000 μg/mL pha dung môi nhexan:toluen (1:1), (Sigma – Aldrich) Nội chuẩn Pentachlornitrobenzen; Dung môi: Hexane; Toluen; Acetone; Dicloromethane; H2SO4 (Merck) Na2SO4; NaOH; NaCl (Merck) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Lựa chọn mảnh khối cho hợp chất Chương trình nhiệt độ số thơng số hệ thiết bị tham khảo theo phương pháp US EPA method 8270D số cơng trình nghiên cứu [3,4] Tiến hành phân tích chất chuẩn với chế độ SCAN detector MS để lựa chọn mảnh khối nhóm hợp chất Kết thông số thiết bị mảnh khối đưa Bảng Bảng Các thông số thiết bị GC-MS TT Điều kiện Thơng số Sắc kí khí Cột tách DB-5MS (Agilent) 5% Phenyl Metyl Siloxane 30 m x 250 μm x 0,25 μm Chế độ Khơng chia dịng bơm Thể tích μl bơm Khí mang Heli, độ tinh khiết 99,999% Chương 100ºC (giữ phút), tăng trình nhiệt đến 2800C (tốc độ tăng độ lị 50C/phút) Thời gian phân cột tích 29,5 phút Khối phổ Nhiệt độ 230ºC nguồn ion Nhiệt độ tứ 150ºC cực Thời gian phút cắt dung môi Mảnh m/z quan sát Chất Mảnh m/z α-BHC 181; 183 γ-BHC 181;183 β-BHC 181;183 nội tiết động vật hoang dã, người, sinh vật biển, gây nên rối loạn nội tiết tổn thương thần kinh, bệnh Parkinson, dị tật bẩm sinh, hô hấp bệnh tật, phát triển tình dục sớm, giảm số lượng tinh trùng rối loạn chức hệ miễn dịch [2] Để xác định lượng nhỏ OCP nước, phương pháp sắc ký khí (GC) kết hợp với detector khối khổ (MS) phương pháp phù hợp có độ chọn lọc cao, có khả tách đồng thời nhiều chất, giới hạn phát thấp (cỡ ppb) đảm bảo độ nhạy cao chi phí hợp lý Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả tách độ nhạy phương pháp GC-MS quan trọng nhiệt độ cột tách, nhiệt độ cổng tiêm (injector), nhiệt độ phận kết nối GC MS tốc độ dịng khí mang Mục tiêu báo sử dụng phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm để xây dựng kế hoạch thực nghiệm khảo sát tối ưu đồng thời thơng số phân tích OCP thiết bị GC/MS THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết bị Hệ thống sắc ký khí ghép nối khổi phổ GC 7890B - MS 5977A (Agilent Technology) sử dụng cột HP-5MS Agilent (30mx 0,25mmx0,25µm) Hệ thống quay chân khơng (Buchi, Thụy sĩ) 2.2 Hóa chất Hỗn hợp chất chuẩn thuốc bảo vệ thực vật clo gồm 20 chất : BHC (α, β ,γ, δ); Heptachlor; Heptachlor epoxide Isomer B; Aldrin; Dieldrin; Endrin; Endrin Aldehyde; Endrin Ketone; Chlordane (α, γ); Endosunfan (1,2); Endosunfan sunfat; 4,4’ DDT; 4,4’- DDD; 4,4’- DDE; Methoxylchlor), nồng độ cấu 77 Hình đồ thị Pareto thể ảnh hưởng nhiệt độ cổng tiêm mẫu, nhiệt độ phận kết nối GC MS tốc độ dịng khí mang đến kết phân tích Aldrin Kết cho thấy yếu tố khảo sát, yếu tố định ảnh hưởng đến kết phân tích (α = 0,05) tốc độ khí mang, cịn nhiệt độ cổng tiêm mẫu, nhiệt độ phận kết nối GC MS thể ảnh hưởng không đáng kể Ảnh hưởng tương tự thu với chuẩn OCP khác Vì vậy, điểm trung tâm nhiệt độ cổng tiêm mẫu (230oC) nhiệt độ phận kết nối GC MS (280oC) lựa chọn để tiến hành thí nghiệm khảo sát tốc độ khí mang 3.3 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ dịng khí mang đến diện tích peak Để tiếp tục đánh giá ảnh hưởng tốc độ khí mang đến kết phân tích, tiến hành thực nghiệm với hỗn hợp chất chuẩn OCPs 1ppm thay đổi tốc độ khí mang 1,0; 1,2; 1,4; 1,6 1,8 mL/phút Tốc độ dòng tối ưu lựa chọn dựa độ phân giải peak, tính theo cơng thức: δ-BHC 181; 183 Heptachlor 272; 700 Aldrin 66; 263 Heptachlor 353; 355 expoxide Isomer B Chlordane 373; 375 Endosulfan 195; 237 4,4’-DDE 246; 248 Dieldrin 79 Endrin 81 Endosulfan 195; 237 4,4’-DDD 235; 237 Endrin Aldehyde 67; 248 Endosulfan sunfat 272; 274 4,4’-DDT 235; 237 Endrin Ketone 317; 67 Methoxylchlor 227; 228 3.2 Áp dụng phương pháp thống kê quy hoạch hóa thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ buồng bơm mẫu, nhiệt độ phận kết nối GC MS, tốc độ dịng khí mang đến diện tích peak Tiến hành qui hoạch hóa thực nghiệm hỗn hợp chất chuẩn 20 OCPs với nồng độ ppm với thông số nhiệt độ cổng tiêm, nhiệt độ phận kết nối GC MS tốc độ dịng khí mang [5] Các điểm mốc khảo sát nhiệt độ injector 200, 230, 260oC; nhiệt độ phận kết nối GC MS 260, 280, 300 oC Tốc độ dịng khí thay đổi với giá trị 1,0; 1,4; 1,8 mL/phút Tiến hành thí nghiệm với điểm nút điểm trung tâm, tổng số thí nghiệm thực 11 thí nghiệm Kết tập hợp phân tích phần mềm Minitab 16 Trong đó: - tR2 tR1 thời gian lưu pic (pic sau) pic (pic trước) - W2 W1 chiều rộng chân pic chân pic Độ phân giải cặp chất OCP thể biểu đồ Hình Pareto Chart of the Effects (response is Aldrin, Alpha = 0.05) 5632 F actor A B C C AC N ame N hiệt độ Injector N hiệt đọ Tranferline Tốc độ dịng khí Term ABC B BC AB A Hình Độ phân giải cặp chất Kết cho thấy tốc độ khí Heli 1,4 mL/phút 20/20 hợp chất có độ phân giải tốt với R> 1,5 Vì 1,4 mL/phút lựa chọn tốc độ dịng khí Heli tối ưu 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Effect Lenth's PSE = 1496.25 Hình Kết phân tích quy hoạch hóa thực nghiệm với hợp chất Aldrin 78 Kết bảng cho thấy tất giá trị P lớn 0,05, tức khơng có khác có ý nghĩa thống kê phân tích độc lập lặp lại 10 lần chuẩn đơn chuẩn mix [5] Nói cách khác chuẩn mix sử dụng ln trì tính xác q trình nghiên cứu Chuẩn mix kiểm tra tháng/ lần 3.5 Xây dựng đường chuẩn 20 hợp chất OCP Sau lựa chọn điều kiện phân tích thiết bị săc ký khí khối phổ, tiến hành xây dựng đường chuẩn xác định hợp chất OCPs khoảng nồng độ từ 10 đến 200 µg/L Các đường chuẩn cho phương trình hồi qui có hệ số tương quan từ 0,9979 đến 0,9999, chứng tỏ phụ thuộc tuyến tính diện tích pic vào nồng độ chất phân tích khoảng nồng độ khảo sát (xem Bảng 3) 3.6 Đánh giá phương pháp phân tích Để đánh giá khả ứng dụng phương pháp, tiến hành thí nghiệm lặp (n =10) chất chuẩn để xác định thông số độ lặp lại, độ tái lặp, giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng, hiệu suất thu hồi, v.v Kết đưa Bảng 3.4 Đánh giá chuẩn hỗn hợp thông qua chuẩn đơn sử dụng phương pháp so sánh giá trị trung bình Hỗn hợp chất chuẩn bao gồm nhiều cấu tử sử dụng thường xuyên Theo định kỳ cần kiểm tra lại chuẩn mix theo chuẩn đơn để bảo đảm tồn chất có nồng độ xác q trình sử dụng Để đảm bảo tính khách quan độ xác cao nhóm nghiên cứu tiến hành phân tích chuẩn đơn γ-BHC, Aldrin, Methoxylchlor, Endosunfan hỗn hợp chất chuẩn gồm 20 hợp chất OCP có nồng độ 500ppb điều kiện phân tích lặp lại 10 lần Kết đánh giá dựa việc so sánh diện tích trung bình peak thu hợp chất γ-BHC, Aldrin, Endosunfan Methoxychlor chuẩn mix chuẩn đơn Bảng Kết đánh giá chuẩn mix Diện tích peak P Chuẩn Mix Chuẩn đơn Tên value Trung Trung Sd Sd bình bình α-BHC 33157 98,00 33161 115,1 0,638 Aldrin 62541 156,5 62563 143,7 0,803 Endosunfan 59734 76,19 59763 136,2 0,099 Methoxylchlor 92633 165,7 92697 152,4 0,807 Bảng Đường chuẩn 20 hợp chất OCP TT 10 11 12 13 14 15 16 Tên chất Phương trình đường chuẩn R2 y = 2,3228x – 0,0029 y = 0,9485x – 0,0172 y = 2,9372x – 0,0329 y = 0,7519x – 0,0007 y = 0,7213x + 0,0016 y = 0,6966x + 0,0286 y = 2,1455x – 0,0161 y = 0,5817x + 0,0078 y = 1,3345x - 0,0094 y = 0,9661x – 0,0088 y = 0,3822x – 0,0076 y = 2,8218x – 0,0334 y = 0,8110x – 0,0141 y = 0,3065x – 0,1472 y = 0,6354x – 0,0021 y = 0,1015x – 0,0004 0,9997 0,9999 0,9997 0,9987 0,9990 0,9997 0,9997 0,9994 0,9984 0,9998 0,9988 0,9979 0,9979 0,9988 0,9987 0,9993 Aldrin Endrin Aldehyde Dieldrin Endrin Heptachlor γ-BHC β-BHC δ-BHC α-BHC Endosulfan Endosulfan 4,4’-DDD 4,4’-DDT 4,4’-DDE Endofulfan sulfat Endrin Ketone 79 TT 17 18 19 20 Tên chất Phương trình đường chuẩn R2 y = 1,9820x – 0,0072 y = 2,2611x – 0,0175 y = 3,1931x – 0,0088 y = 1,3657x – 0,0356 0,9997 0,9991 0,9995 0,9991 Heptachloro Epoxide isomer B α-Chlordane γ-Chlordane Methoxylchlor Bảng Kết đánh giá phương pháp phân tích TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Độ Độ lặp tái lại Tên chất lặp RSD RSD (%) (%) α-BHC 0,8 1,2 γ-BHC 1,4 1,0 β-BHC 1,2 1,0 δ-BHC 1,2 0,9 Heptachlor 1,4 3,6 Aldrin 1,4 1,0 Heptachlor Epoxide isomer B 1,5 2,8 γ-Chlordane 1,2 1,1 α-Chlordane 1,3 0,6 Endosunfan1 1,2 1,3 4,4'-DDE 1,5 3,3 Dieldrin 0,9 3,3 Endrin 1,6 1,1 4,4'-DDT 1,1 1,9 Endrin Aldehyde 1,2 2,9 Endrin ketone 1,1 1,1 Endosunfan2 0,7 1,0 4,4'-DDD 0,9 2,5 Endosunfan sunfate 1,2 1,2 Methoxylchlor 0,9 1,2 Giới hạn phát LOD, (ng/mL) 0,57 0,78 0,80 0,81 0,95 0,93 1,02 0,77 0,89 0,85 0,98 0,62 1,03 0,74 0,86 0,78 0,48 0,66 0,87 0,66 Kết cho thấy giá trị RSD% lặp lại người phân tích dao động khoảng từ 0,7 đến 1,6% RSD% tái lặp thay đổi người phân tích ngày phân tích dao động khoảng 0,6 ÷ 3,6%, hay nói cách khác phương pháp có độ lặp lại cao, phù hợp để phân tích hàm lượng hóa chất bảo vệ thực vật clo thời gian dài Hiệu suất thu hồi khảo sát với điểm chuẩn 100 ppb nằm khoảng 91,1 ÷ 107,7% Các giá trị độ lệch chuẩn tương đối RSD% hiệu suất thu Giới hạn ĐKĐB định lượng Hiệu suât thu Đo Mở LOQ hồi (%) Rộng (ng/mL) (ng/mL) 2,02 2,76 2,84 2,85 3,36 3,28 3,60 2,74 3,14 3,00 3,47 2,18 3,64 2,61 3,03 2,75 1,72 2,33 3,08 2,35 97,5 – 101,3 96,7 – 106,1 91,1 – 93,3 94,6 – 101,5 99,4 – 101,3 97,0– 104,3 99,3– 106,7 100,7 – 103,4 98,3 – 102,2 94,9 – 100,3 96,0 – 103,1 97,1– 107,7 92,5 – 101,7 97,9 – 106,7 98,9 – 107,5 98,0 – 100,9 96,5 – 97,9 93,1 – 97,3 99,4 – 106,4 97,7 – 101,2 0,34 0,36 0,36 0,35 0,95 0,40 0,67 0,38 0,33 0,42 0,81 0,66 0,44 0,56 0,81 0,37 0,30 0,57 0,42 0,36 hồi đạt yêu cầu AOAC [6], đảm bảo độ tin cậy phương pháp phân tích Giới hạn phát LOD LOQ phương pháp dao động tương ứng khoảng 0,48÷ 1,03 ng/mL 1,72 ÷ 3,60 ng/mL Giới hạn phát thấp cỡ ppb hoàn toàn phù hợp để phát lượng vết hóa chất bảo vệ thực clo (Xem tiếp tr 38) 80 Ojha, N.K., et al., Copper nanoparticles as inexpensive and efficient catalyst: A valuable contribution in organic synthesis Coordination Chemistry Reviews, 2017 353: p 1-57 Hokita, Y., et al., High-Concentration Synthesis of Sub-10-nm Copper Nanoparticles for Application to Conductive Nanoinks ACS Appl Mater Interfaces, 2015 7(34): p 19382-9 Tang, X.-F., Z.-G Yang, and W.-J Wang, A simple way of preparing high-concentration and high-purity nano copper colloid for conductive ink in inkjet printing technology Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2010 360(1-3): p 99-104 10 Sinha, A.K., et al., Large-Scale Solid-State Synthesis of Sn–SnO2 Nanoparticles from Layered SnO by Sunlight: a Material for Dye Degradation in Water by Photocatalytic Reaction Environmental Science & Technology, 2013 47(5): p 2339-2345 11 Sinha, T and M Ahmaruzzaman, Green synthesis of copper nanoparticles for the efficient removal (degradation) of dye from aqueous phase Environ Sci Pollut Res Int, 2015 22(24): p 20092-100 _ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ VÀO TỐI ƯU tr 80 KẾT LUẬN Nghiên cứu sử dụng phương pháp qui hoạch hóa thực nghiệm để khảo sát điều kiện tối ưu xác định đồng thời 20 thuốc bảo vệ thực vật clo (OCP) phương pháp sắc kí khối phổ (GC-MS) Kết cho thấy tốc độ khí mang yếu tố định ảnh hưởng đến kết phân tích Phương pháp có giới hạn phát (LOD) thuốc bảo vệ thực vật clo thấp, dao động khoảng từ 0,48÷ 1,03 ppb v.v Các giá trị (RSD%) lặp lại tái lặp nhỏ 5%, hiệu suất thu hồi lớn 80%, thỏa mãn yêu cầu AOAC cho phân tích lượng vết Phương pháp hồn tồn phù hợp để đánh giá mức độ ô nhiễm cảnh báo ô nhiễm thuốc bảo vệ thực vật clo cho nguồn nước thải, nước sinh hoạt, nước tưới tiêu Acknowleddgement This research is funded by Vietnam National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED) under grant number 104.04-2018.331 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn (2011), Thông tư việc ban hành Danh mục thuốc bảo vệ thực vật phép sử dụng, hạn chế sử dụng, cấm sử dụng Việt Nam Đào Văn Hoằng (2008), Kỹ thuật tổng hợp hóa chất bảo vệ thực vật, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Method EPA 8270D, Semivolatile organic compounds by Gas chromatography/massspectrometry V.Yu Tsygankov, M.D Boyarova (2015), “Sample Preparation Method for the Determination of Organochlorine Pesticides in Aquatic Organisms by Gas Chromatography”, Achievements in the Life Sciences 9, 65-68 Tạ Thị Thảo (2010), Giáo trình thống kê hóa phân tích, Đại học Quốc gia Hà Nội AOAC Official Methods of Analysis (2016), Guidelines for Standard Method Performance Requirements 38 ... DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ VÀO TỐI ƯU tr 80 KẾT LUẬN Nghiên cứu sử dụng phương pháp qui hoạch hóa thực nghiệm để khảo sát điều kiện tối ưu xác định đồng thời 20 thuốc bảo vệ thực vật clo (OCP)... nghiệm để xây dựng kế hoạch thực nghiệm khảo sát tối ưu đồng thời thơng số phân tích OCP thiết bị GC/MS THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết bị Hệ thống sắc ký khí ghép nối khổi phổ GC 7890B - MS 5977A (Agilent... vật clo (OCP) phương pháp sắc kí khối phổ (GC- MS) Kết cho thấy tốc độ khí mang yếu tố định ảnh hưởng đến kết phân tích Phương pháp có giới hạn phát (LOD) thuốc bảo vệ thực vật clo thấp, dao động