TỔNG QUAN
G IớI THIệU Về CHấT CHốNG OXI HÓA HYDROXYTOLUENE BUTYLATED (BHT) VÀ
Hàng ngày, chúng ta tiếp xúc với nhiều hợp chất hóa học có mặt trong không khí, nước, thực phẩm và đồ vật xung quanh Nhóm phenolic, một loại hợp chất hóa học quan trọng, đóng vai trò chất chống oxi hóa trong nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, sản xuất nhựa, dược phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm Hai hợp chất nổi bật nhất trong nhóm này là BHT và BHA, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp.
1.1.1 Cấu tạo và tính chất lí hóa
BHT, hay còn gọi là 2,6-bis (1,1-dimethylethyl)-4-methylphenol, 2,6-di-tert-butyl-p-cresol, và 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol, có công thức phân tử là C15H24O Các tính chất vật lý của BHT được trình bày chi tiết trong bảng 1.1 [17,18].
BHA, hay butylated hydroxyanisole, là hỗn hợp của hai đồng phân: 3-tert-butyl-4-hydroxyanisole và 2-tert-butyl-4-hydroxyanisole Chất này còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như BOA, tert-butyl-4-hydroxyanisole, (1,1-dimethylethyl)-4-methoxyphenol, tert-butyl-4-methoxyphenol, và antioxyne B, cùng với nhiều tên thương mại khác.
Bảng 1.1 Cấu tạo và tính chất vật lý của BHT, BHA
BHT có đặc điểm tương tự BHA nhưng bền nhiệt hơn Cấu trúc không gian của BHT cồng kềnh hơn BHA do sự hiện diện của hai nhóm tert-butyl xung quanh nhóm hydroxyl (-OH) trong phân tử.
1.1.2 Độc tính và liều lượng cho phép
BHT được hấp thụ nhanh chóng qua đường miệng ở chuột và người, sau đó thải ra ngoài qua nước tiểu và phân Nghiên cứu cho thấy, khi tiêu thụ với khẩu phần 40mg/kg thể trọng, 50% liều lượng BHT được bài tiết trong 24 giờ đầu và 25% còn lại trong 10 ngày tiếp theo Sự chuyển hóa BHT chủ yếu diễn ra qua con đường oxy hóa, với sự oxy hóa nhóm methyl nổi bật ở loài gặm nhấm, thỏ và khỉ.
Tên hóa học 2,6-di-tert-butyl-p-cresol
Trạng thái tồn tại Bột màu trắng Dạng sáp rắn, đôi khi hơi vàng Nhiệt độ nóng chảy 70 o C - 73 o C 60 o C - 65 o C
Tan kém trong nước, độ tan 1,1mg/l ở 20 o C
Tan vô hạn trong etanol, toluen, xeton, axeton
Tan tốt trong dầu, mỡ, etanol và các dung môi hữu cơ khác như propylen glycol, ete, xăng, tan hơn 50% trong rượu
Nghiên cứu trên động vật cho thấy rằng liều lượng cao của BHT khi được đưa vào cơ thể trong thời gian 40 ngày hoặc lâu hơn có thể gây độc hại cho các cơ quan nội tạng Ngoài ra, BHT cũng có khả năng gây kích ứng cho da và mắt khi tiếp xúc trực tiếp.
Khi cho chuột ăn khẩu phần chứa 0,58% BHT trong 40 ngày, có thể gây ra xuất huyết ở nhiều cơ quan, nhưng hiện tượng này không xảy ra ở tất cả các loài Sự xuất huyết chỉ xảy ra ở một số giống chuột và heo, trong khi chuột đồng, chó, thỏ và chim cút không có dấu hiệu nào Điều này cho thấy sự nhạy cảm khác nhau giữa các loài đối với BHT.
Liều lượng BHT cao ở động vật thử nghiệm gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực, bao gồm tăng hấp thu iốt ở tuyến giáp, tăng trọng lượng tuyến thượng thận, giảm khối lượng lá lách, làm chậm quá trình vận chuyển acid hữu cơ, gây tổn thương thận và trầm cảm Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ sinh sản ở chuột giảm hơn 10 lần khi tiêu thụ 100mg BHT/kg/ngày Mặc dù BHT không được xác định là chất độc di truyền, nhưng các thử nghiệm cho thấy nó có thể kích thích tác dụng của một số chất sinh ung thư hóa học, mặc dù ảnh hưởng của nó đối với con người vẫn chưa rõ ràng.
Theo JECFA, giới hạn ADI cho BHT là dưới 0,125 mg/kg thể trọng mỗi ngày Cả FDA và USDA đều quy định hàm lượng tối đa cho phép của BHT trong thực phẩm lần lượt là 0,02% và 0,01% theo phần trăm khối lượng chất béo Hơn nữa, sự hiện diện của BHT trong bao bì lưu trữ có thể gây ảnh hưởng đến việc nhuộm màu lên vải.
BHT+NO x =Không màu Sợi PA Phức màu vàng
BHA với liều lượng 50 – 100 mg/kg thể trọng sẽ được chuyển hóa và thải ra ngoài qua nước tiểu dưới dạng glucuronit hoặc sulfat Đây là một chất nghi ngờ gây ung thư, dị ứng và ngộ độc, có thể gây rối loạn cơ thể ở nhiều loài động vật thí nghiệm như khỉ, chó, chuột và mèo.
Nghiên cứu về tác dụng gây độc mãn tính của BHA trên chuột, chó và khỉ cho thấy rằng khi các động vật này được cho ăn khẩu phần chứa vài phần trăm BHA trong hai năm, BHA không gây nguy hiểm cho sự sinh sản và phát triển Tuy nhiên, một nghiên cứu năm 1982 đã phát hiện khối u ác tính ở chuột khi cho ăn BHA với liều lượng 2% trong khẩu phần, trong khi không có khối u ác tính nào được hình thành ở liều lượng 0,5% Ngoài ra, BHA cũng gây kích ứng da và mắt khi tiếp xúc, cũng như kích ứng phổi nếu hít phải, và có thể gây hại cho các cơ quan trong cơ thể khi tiếp xúc lâu dài.
Theo JECFA, mức ADI cho BHA được quy định là dưới 0,5 mg/kg thể trọng mỗi ngày Cả FDA và USDA đều quy định hàm lượng tối đa cho phép của BHA trong thực phẩm lần lượt là 0,02% và 0,01% tính theo phần trăm khối lượng chất béo.
BHT được tạo thành do phản ứng của para – cresol (4-methylphenol) với isobutylen (2-methylpropene) xúc tác bởi acd sulfuric
CH 3 (C 6 H 4 )OH + 2 CH 2 =C(CH 3 ) 2 → ((CH 3 ) 3 C) 2 CH 3 C 6 H 2 OH
Ngoài ra, BHT được lấy từ 2,6-di-tert-butylphenol hydroxymethylation hoặc aminomethylation trong phản ứng thuỷ phân
Một nghiên cứu cho thấy thực vật phù du như tảo lục và Botryococcus braunii, cùng với ba loài cyanobacteria (Cylindrospermopsis raciborskii, Microcystis aeruginosa và Oscillatoria sp.), có khả năng sản xuất hợp chất này Việc xác nhận được thực hiện thông qua phân tích sắc ký khí khối phổ.
BHT được sản xuất khoảng 62000 tấn/năm bởi hơn 20 nhà sản xuất trên thế giới theo thống kê năm 2000, số liệu thống kê được cho trong bảng 1.2 [30]
Bảng 1.2 Sản lượng BHT ở một số nước trên thế giới
BHT, hay butylated hydroxytoluene, là một chất chống oxi hóa phổ biến được sử dụng trong thực phẩm, thức ăn cho động vật, cũng như trong các sản phẩm từ dầu, cao su tổng hợp, nhựa, và các loại dầu động vật và thực vật, bao gồm cả xà phòng.
Theo số liệu thống kê năm 2000, phần trăm sử dụng BHT trên thế giới trong các lĩnh vực khác nhau được đưa ra trong bảng 1.3 [30]
Bảng 1.3 Một số lĩnh vực chính sử dụng BHT
TT Lĩnh Vực Phần trăm sử dụng
3 Phụ gia cho nhiên liệu và dầu khoáng 17%
4 Thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm 12%
5 Thức ăn cho động vật và vật nuôi 11%
6 Mực in/ những đối tượng khác 6%
G IớI THIệU SƠ LƯợC Về MẫU PHÂN TÍCH
Hiệp hội các ngành công nghiệp nhựa (SPI) đã thiết lập một hệ thống phân loại nhựa vào năm 1988 nhằm giúp người tiêu dùng và nhà tái chế nhận diện và xử lý đúng cách các loại nhựa khác nhau Hệ thống này vẫn còn giá trị cho đến nay, với mỗi loại nhựa được gán một mã nhất định, thường được in trên sản phẩm bởi các nhà sản xuất Bảng 1.4 dưới đây trình bày một số loại nhựa phổ biến cùng với ký hiệu của chúng trên thị trường.
Bảng 1.4 Kí hiệu một số loại nhựa thông dụng
PET HDPE PVC LDPE PP PS Các loại còn lại
LDPE và HDPE là hai loại nhựa phổ biến, thường được sử dụng để sản xuất túi nhựa và bao bì cho các sản phẩm thực phẩm, cũng như nhiều hàng hóa khác, bao gồm cả sản phẩm dệt may.
1.2.1 Sơ lược về LDPE và HDPE
Polyetylen mật độ thấp (LDPE) là một loại nhựa nhiệt dẻo được tạo ra từ monome etylen, lần đầu tiên được sản xuất vào năm 1933 bởi Imperial Chemical Industries (ICI) thông qua quá trình trùng hợp gốc tự do ở áp suất cao Mặc dù chỉ khoảng 5,7% LDPE được tái chế theo ước tính của EPA, loại nhựa này vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp nhựa hiện đại LDPE có các đặc tính nổi bật như bán cứng, mờ đục, độ dai cao, khả năng chịu thời tiết tốt, kháng hóa chất hiệu quả, hấp thụ nước kém và dễ dàng xử lý với chi phí thấp.
LDPE được sử dụng rộng rãi trong ngành bao bì nhờ vào chi phí thấp, khả năng bao kín dễ dàng và khả năng bảo vệ sản phẩm hiệu quả.
LDPE, hay polyethylene mật độ thấp, có mật độ khoảng 0.917–0.930 g/cm3 và không phản ứng ở nhiệt độ phòng, trừ khi tiếp xúc với tác nhân oxi hoá mạnh hoặc một số dung môi gây trương nở Nó có khả năng chịu nhiệt lên đến 80°C, có thể kéo dài đến 95°C trong thời gian ngắn Với cấu trúc nhiều nhánh hơn so với HDPE (khoảng 2% số nguyên tử carbon), LDPE có lực liên phân tử yếu hơn, sức căng thấp hơn và khả năng phục hồi cao hơn, tạo nên đặc tính dai và bền cho vật liệu này.
LDPE (Polyethylene mật độ thấp) được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày, bao gồm sản xuất chai, đồ chơi, túi xách, cách nhiệt cao tần, lót thùng chứa hóa chất, các loại bao bì, và ống dẫn khí cũng như nước.
Polyetylen mật độ cao (HDPE) là một loại nhựa nhiệt dẻo được sản xuất từ dầu mỏ, được ứng dụng rộng rãi trong việc sản xuất chai nhựa, ống chống ăn mòn, và màng địa kỹ thuật Một trong những ứng dụng nổi bật của HDPE là trong sản xuất màng phim cho túi mang và lớp lót thùng carton chứa thực phẩm như thịt và ngũ cốc Với khả năng tái chế cao, HDPE thường được tái sử dụng, và vào năm 2007, thị trường HDPE toàn cầu đã đạt hơn 30 triệu tấn.
Bảng 1.5 Một số đặc tính vật lí của nhựa LDPE và HDPE
Lực căng 0.20 - 0.40 N/mm² Từ vài đến vài chục N/mm 2
Nhiệt độ sử dụng tối đa 65°C 120°C
Hệ số giãn nở nhiệt 100 - 220 x 10 -6 m/m°C 120 x 10 -6 m/m°C
1.2.2 Sự có mặt của các chất chống oxi hóa trong polyme
Việc sử dụng vật liệu nhựa trong các ngành công nghiệp ô tô, điện tử, bao bì và hàng tiêu dùng phụ thuộc nhiều vào các chất phụ gia cho nhựa nguyên sinh và tái chế Chất phụ gia không chỉ giúp giải quyết các vấn đề trong sản xuất và xử lý mà còn cải thiện hiệu suất và tính ổn định của polyme với môi trường Các loại phụ gia phổ biến bao gồm phụ gia chống oxi hoá, chống cháy, hoá dẻo, bền ánh sáng và trợ giúp gia công Đặc biệt, nếu không có phụ gia chống oxi hoá thích hợp, polyme sẽ dễ bị phá huỷ bởi oxi và ánh sáng Các chất chống oxy hóa thường được sử dụng là nhóm phenolic, với BHT và BHA là hai ví dụ tiêu biểu, cùng với các dẫn xuất amin, hợp chất phosphite hữu cơ và thioeste Những chất này bảo vệ polyme khỏi tác động của nhiệt và oxy, giảm nguy cơ tạo vòng trong quá trình lưu trữ và xử lý, đồng thời bảo vệ sự lưu hóa khỏi oxy hóa tự động.
1.2.3 Cơ chế chống oxi hóa của BHT và BHA
Trước khi khám phá cơ chế chống oxi hoá của BHT và BHA, cần hiểu rõ quá trình oxi hoá gây suy giảm chất lượng của polyme Sự suy thoái này xảy ra do tác động của nhiệt, oxy hoặc bức xạ, thường thông qua cơ chế gốc tự do Các gốc tự do được hình thành từ những tác động này, dẫn đến sự giảm sút chất lượng của vật liệu polyme.
Quá trình xảy ra trong suốt vòng đời của polymer, bao gồm trùng hợp, xử lý và sử dụng, khi các gốc tự do phản ứng với chuỗi polymer.
Chấm dứt chuỗi phản ứng của các gốc tự do
Tăng khối lượng phân tử của polymer sẽ làm giảm sức kéo và tăng độ giòn, dẫn đến sự suy giảm các đặc tính vật lý quan trọng của polymer.
Chất chống oxi hoá không ngăn chặn hoàn toàn quá trình oxi hoá mà chỉ làm giảm tốc độ của nó Chúng cung cấp hydro từ nhóm -OH, đặc biệt là cho các gốc peroxy, từ đó tạo ra các sản phẩm không phản ứng.
M ộT Số PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BHT VÀ BHA
Qua việc nghiên cứu tài liệu tham khảo và các bài báo khoa học, chúng tôi nhận thấy rằng số lượng công trình nghiên cứu về hàm lượng BHT và BHA trong nền polyme còn hạn chế Hiện tại, trong nước chỉ có một số nghiên cứu tập trung vào việc xác định hàm lượng hai chất này trong mẫu thực phẩm Hai phương pháp phân tích phổ biến được sử dụng để xác định BHT và BHA là sắc ký lỏng và sắc ký khí.
Theo tiêu chuẩn ASTM D 4275-09, BHT trong ba loại nền mẫu polyme LDPE, HDPE và ethylen-vinylaxetate (EVA) được chiết xuất bằng phương pháp lắc và chiết hồi lưu Hai loại dung môi sử dụng cho quá trình chiết xuất là cyclohexan và isopropanol, sau đó dịch chiết được phân tích bằng hệ thống GC-ECD Chất nội chuẩn được áp dụng trong phân tích là MM [7].
Một nghiên cứu đã xác định hàm lượng chất chống oxi hoá trong túi bao thực phẩm polyme bằng phương pháp chiết xuất với cyclohexan trong bể siêu âm Phân tích dịch chiết được thực hiện trên hệ thống GC-ECD, với độ thu hồi cho BHT và BHA lần lượt đạt 88%-93% và 92%-101% Giới hạn phát hiện cho cả hai chất là 0,5 mg/kg, trong khi hàm lượng của chúng trong mẫu dao động từ 6,3 đến 28,4 mg/kg.
Trong nghiên cứu xác định hàm lượng BHT trong kẹo cao su, mẫu được nghiền thành bột và chiết xuất bằng 5,0 g mẫu với 100 ml ACN trong tủ hút có khuấy từ trong 1 giờ Sau khi lọc, mẫu được cô quay chân không ở 30°C và hòa tan trong ethyl axetat, với nồng độ BHA cuối cùng là 50 µl/ml Mục tiêu nghiên cứu là xác định nồng độ BHT trong 6 mẫu kẹo, với kết quả cho thấy nồng độ BHT trong 1,0 g kẹo nằm trong khoảng 92.30 - 174.38 µg và độ thu hồi từ 6.27% - 57.13% Phân tích được thực hiện trên hệ GC 6890 Agilent với detector chọn lọc khối 5973N, sử dụng cột HP 5MS 30 m x 0.25 mm x 0.25 µm, với chương trình gia nhiệt từ 100°C đến 300°C Các ion chọn lọc cho BHT, BHA và 3,5-di-tert-butylphenol lần lượt là m/z 220, m/z 165 và m/z 191.
Một nghiên cứu tại Viện Khoa học Sức khỏe Quốc gia Nhật Bản đã xác định hàm lượng năm chất chống oxi hoá phenolic, bao gồm BHA, BHT, NDGA, PG và TBHQ trong thực phẩm bằng phương pháp LC-MS và GC-MS Mẫu được chiết xuất bằng hỗn hợp ACN, 2-propanol và etanol theo tỉ lệ 2:1:1, sau đó được lọc và phân tích qua cột C18 để loại bỏ chất béo Phân tích GC-MS được thực hiện với cột DB-5MS, nhiệt độ cột từ 60°C đến 300°C, với khí mang là helium Điều kiện ion hoá EI được sử dụng với thế ion hoá 70 eV LOQ của phương pháp đạt 0,01 mg/l, với độ thu hồi cho BHT và BHA lần lượt là 48,1-89,7% và 42,7-91,6%.
Chúng tôi tóm lược một số quy trình phân tích hai chất BHT và BHA trong một số đối tượng mẫu trong bảng 1.6
Bảng 1.6 Một số phương pháp phân tích BHT, BHA
STT Đối tượng mẫu Điều kiện chiết Tài liệu
1 Polyme-bao gói thực phẩm
-Lắc với cyclohexan -Chiết hồi lưu với isopropanol -Chiết hồi lưu với cyclohexan
3 Kẹo cao su -Chiết mẫu ở dạng bột với ACN [24]
4 Mỹ phẩm -Chiết hồi lưu với ACN [29]
-Mẫu thêm 5g natri sunfat khan + 50ml CH 3 CN/IPA/C 2 H 5 OH = 2/1/1 (tỷ lệ thể tích), để lạnh ở -5 0 C 1h Ly tâm 10 phút Thu lấy dịch lọc
6 Dầu và mỡ -Mẫu+TMAH, lắc rồi chiết với ete [37]
Thực phẩm (dầu ô liu, mì ống, bơ đậu phộng, kẹo cao su)
-Chiết mẫu với CH 3 CN/IPA/C 2 H 5 OH
= 2/1/1 (tỷ lệ thể tích), sau đó làm lạnh trong tủ đông rồi lọc
8 Vỏ thuốc con nhộng -Siêu âm trong 20 phút với nước/ACN,1:9 (tỉ lệ thể tích) [11]
Để chiết xuất các chất chống oxi hoá BHT và BHA từ mẫu, thường sử dụng các dung môi như xyclohexan, isopropanol, axeton nitril hoặc hỗn hợp dung môi CH3CN/IPA/C2H5OH theo tỷ lệ 2/1/1 Các phương pháp chiết phổ biến bao gồm siêu âm, lắc, và hồi lưu, với thời gian chiết từ 20 phút đến 2 giờ tùy thuộc vào loại mẫu Sau khi chiết, các phương pháp làm sạch khác nhau được áp dụng, như làm sạch qua cột C18 đối với một số loại mẫu thực phẩm, hoặc qua màng lọc 0,5μm hoặc 0,45μm cho các mẫu thực phẩm và mỹ phẩm khác Độ thu hồi của các phương pháp này dao động từ 30-105%, và nồng độ của chúng trong các mẫu phân tích thường nhỏ hơn nhiều so với hàm lượng tối đa cho phép.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
Đ ốI TƯợNG VÀ MụC TIÊU NGHIÊN CứU
Luận văn này tập trung vào việc phân tích BHT và BHA trong bao bì polymer, đặc biệt là trong bao bì thực phẩm và hàng dệt may, sử dụng hai loại nhựa LDPE và HDPE.
Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng phương pháp xác định đồng thời BHT và BHA trong LDPE và HDPE thông qua kỹ thuật sắc ký khí khối phổ Phương pháp này được áp dụng để xác định hàm lượng các chất BHT và BHA trong các sản phẩm bao gói được chế tạo từ hai loại nhựa LDPE và HDPE.
P HƯƠNG PHÁP NGHIÊN CứU
2.2.1.1 Tách các chất phân tích bằng sắc kí khí
Các yếu tố cơ bản quyết định phép tách sắc ký bao gồm khí mang, cột tách và chương trình nhiệt độ cho lò cột Khí mang được xác định bởi loại khí và tốc độ, trong khi cột tách phụ thuộc vào thành phần pha tĩnh, độ phân cực, bề dày lớp phim và chiều dài cột Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tách của mọi chất phân tích.
Khí hiếm heli, với độ tinh khiết trên 99,99%, là loại khí được sử dụng phổ biến nhất Để đảm bảo hiệu quả, khí này thường được duy trì ở chế độ đẳng dòng, với tốc độ dòng chảy qua cột dao động từ 1,0 đến 1,5 ml/phút.
Các chất phân tích được tách trên cột mao quản hở có thành phần pha tĩnh silica biến tính (FS-WCOT) với độ phân cực rất thấp Các loại pha tĩnh phổ biến bao gồm Poly(5% diphenyl, 95% dimetylsiloxan) tương ứng với các cột DB-5, DB-5ms, HP-5MS, Rtx-1614 và Poly(14% diphenyl, 86% dimetylsiloxan) tương ứng với cột DB-XLB, Rxi-XLB Ngoài ra, cột DB-5HT với pha tĩnh Poly(4% diphenyl, 1% divinyl, 95% dimetylsiloxan) và cột HT-5 với 5% phenyl polycacboran-siloxan cũng được khuyến cáo sử dụng ở nhiệt độ cao.
Nhiệt độ cổng bơm mẫu cần được điều chỉnh đủ cao để hóa hơi hoàn toàn mẫu, nhưng không được quá lớn để tránh phân hủy mẫu, đồng thời phải tuân thủ khuyến cáo của nhà sản xuất Với việc chỉ phân tích hai chất BHT và BHA, chương trình nhiệt độ cho lò cột trở nên tương đối đơn giản.
2.2.1.2 Định tính và định lượng bằng khối phổ
Sau khi tách bằng sắc kí khí, các chất phân tích có thể được xác định qua các detector như detector bắt giữ điện tử (ECD), detector ion hoá ngọn lửa (FID) và detector khối phổ (MSD) Trong số đó, detector khối phổ (MS) nổi bật với nhiều ưu điểm như độ nhạy và độ chọn lọc cao (chế độ quan sát chọn lọc ion - SIM), cùng với độ chính xác cao Điều này cho phép định tính và định lượng các chất phân tích một cách chính xác, ngay cả khi quá trình sắc kí không hoàn toàn tách biệt các chất.
Mỗi chất phân tích được định tính và định lượng thông qua việc quan sát một số mảnh m/z đặc trưng và tính toán nồng độ dựa trên tỷ lệ diện tích pic so với chất nội chuẩn Thông thường, một mảnh m/z được chọn làm mảnh định lượng, trong khi một hoặc hai mảnh khác được sử dụng làm mảnh đối chứng Việc lựa chọn mảnh m/z phụ thuộc vào chế độ ion hóa của khối phổ, trong đó hai chế độ phổ biến là ion hóa va đập điện tử (EI) và ion hóa hóa học âm (NCI) Trong chế độ ion hóa EI, chất phân tích được dẫn vào buồng chứa electron với năng lượng khoảng 70 eV hoặc thấp hơn, nơi xảy ra va chạm giữa electron và mẫu, tạo ra ion phân tử hoặc ion mảnh Năng lượng electron được kiểm soát để hạn chế sự phân mảnh, giúp quan sát ion phân tử.
Chế độ ion hóa CI là quá trình mà dòng phân tử khí tương tác với ion dương hoặc ion âm, dẫn đến việc chuyển đổi các phân tử trung hòa thành ion phân tử hoặc ion mảnh Để thực hiện quá trình này, trước tiên cần ion hóa các phân tử khí, sau đó các ion này sẽ va chạm với các phân tử mẫu phân tích Khí metan là tác nhân phổ biến nhất được sử dụng trong ion hóa CI.
Chúng tôi đã lựa chọn phương pháp sắc kí khí khối phổ GC-MS để định tính và định lượng hai chất chống oxi hoá BHT và BHA, với chất nội chuẩn là Methyl Merystate (MM) Phương pháp này được tham khảo từ tiêu chuẩn ASTM D4275-09 và các tài liệu khác, đã được điều chỉnh để phù hợp với điều kiện của phòng thí nghiệm Dưới đây là sơ đồ cấu tạo của hệ thống sắc kí khí khối phổ.
Hệ thống GC-MS được sử dụng để phân tích các dung dịch chuẩn BHT và BHA với nồng độ từ 0,05ppm đến 5,0ppm Qua các thí nghiệm này, chúng tôi xây dựng đường chuẩn và xác định giá trị giới hạn phát hiện cũng như giới hạn định lượng của thiết bị.
2.2.2 Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp Để xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp xác định hai chất chống oxi hoá BHT và BHA trong nền mẫu polyme chúng tôi tiến hành những nội dung sau
Để xây dựng đường chuẩn, cần tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của hệ số đáp ứng Rf vào nồng độ của các chất cần phân tích Bắt đầu từ dung dịch hỗn hợp chuẩn 100ppm, pha tiếp các dung dịch chuẩn trung gian với nồng độ 10 và 1,0ppm Từ các dung dịch chuẩn trung gian này, pha một dãy các dung dịch chuẩn có nồng độ từ 0.05 đến 5,0mg/l trong cyclohexan Rf được định nghĩa thông qua một phương trình cụ thể.
Trong đó: - C cpt : Nồng độ chất phân tích (mg/l)
- A cpt : Diện tích píc săc kí cúa chất phân tích
- C IS : Nồng độ chất nội chuẩn (mg/l)
- A IS : Diện tích píc sắc kí của chất nội chuẩn Giới hạn phát hiện (LOD)
LOD, hay giới hạn phát hiện, được định nghĩa là nồng độ thấp nhất (x L) của chất phân tích mà hệ thống phân tích có thể tạo ra tín hiệu (y L) khác biệt với tín hiệu của mẫu trắng hoặc tín hiệu nền Công thức thể hiện mối quan hệ này là: y L = y b + k.S b.
Trong nghiên cứu, y b đại diện cho tín hiệu trung bình của mẫu trắng sau n b thí nghiệm, với n b lớn hơn 20 Độ lệch chuẩn tín hiệu của mẫu trắng được ký hiệu là S b, trong khi k là đại lượng số học được xác định dựa trên độ tin cậy mong muốn.
Mẫu trắng được pha với nồng độ chất phân tích x b = 0
Do đó giới hạn phát hiện:
Nếu không tiến hành phân tích mẫu trắng, độ lệch chuẩn của mẫu trắng S b có thể được coi là sai số của phương trình hồi quy, tức là S b = S y Trong trường hợp này, tín hiệu khi phân tích mẫu nền y b sẽ bằng a, và tín hiệu thu được sẽ tương ứng với nồng độ phát hiện.
Y LOD = a + k.Sy Với độ tin cậy 95%, k = 3 Sau đó dùng phương trình hồi quy có thể tìm được LOD x LOD =
3S y b Giới hạn định lượng (LOQ)
LOQ là nồng độ thấp nhất (xQ) của chất phân tích mà hệ thống phân tích định lượng có thể đo được, với tín hiệu phân tích (yQ) có ý nghĩa định lượng so với tín hiệu của mẫu trắng hoặc tín hiệu nền.
YQ = y b + K Sb Thông thường LOQ được tính với K = 10 tức là CQ = 10.SB/b
Hay S/N = 10 nên suy ra LOQ = 3,33 LOD
Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp:
Chúng tôi tiến hành thử nghiệm 2 phương pháp xác định giá trị giới hạn phát hiện của phương pháp như sau:
Q UY TRÌNH THựC NGHIệM
Chuẩn bị mẫu giả bằng cách cắt nhỏ mẫu túi thu thập từ thị trường, sau đó chiết xuất trong dung môi cyclohexan bằng phương pháp lắc hoặc siêu âm trong 2 giờ Sau khi gạn bỏ dung môi, mẫu được sấy ở nhiệt độ khoảng 50°C hoặc để khô tự nhiên Quy trình này được lặp lại cho đến khi dung dịch chiết không còn chứa BHT và BHA.
Thí nghiệm được thực hiện bằng cách thêm chuẩn hỗn hợp BHT và BHA vào mẫu giả với nồng độ 0,5; 2,0 và 5,0 ppm Sau đó, tiến hành phân tích để đánh giá độ thu hồi, độ lặp lại và xác định giới hạn phát hiện cũng như giới hạn định lượng của phương pháp dưới các điều kiện khác nhau và với các loại mẫu khác nhau.
2.3.1 Quy trình xử lý mẫu trên nền LDPE
Nghiên cứu chiết xuất chất phân tích từ mẫu LDPE đã được thực hiện bằng ba phương pháp: lắc với cyclohexan, chiết hồi lưu với iso propanol và siêu âm với cyclohexan Để khảo sát, chúng tôi đã thêm 2,0g mẫu giả hỗn hợp chất chuẩn 100ppm vào bình nón 250ml, tạo ra ba nồng độ khác nhau là 0,5ppm, 2,0ppm và 5,0ppm Sau đó, cyclohexan được thêm vào để có 15,0ml dung dịch và bình được để qua đêm trong tủ lạnh Trước khi chiết, bình được đưa về nhiệt độ phòng và lắc đều Mẫu được hút và lọc qua màng PTFE 0,45um trước khi phân tích bằng hệ thống GC-MS Tương tự, với phương pháp chiết hồi lưu iso propanol, 2,0g mẫu giả cũng được sử dụng, thêm iso propanol để đạt 25,0ml dung dịch, và bình được chiết hồi lưu trong 1 giờ trước khi phân tích Kết quả cho thấy phương pháp lắc với cyclohexan mang lại hiệu quả cao nhất trong việc tách chất phân tích.
Chúng tôi đã tiến hành phương pháp siêu âm với cyclohexan bằng cách thêm 2,0g mẫu giả hỗn hợp chất chuẩn 100ppm vào bình phản ứng 50ml có nắp lót silicon, tạo ra các nồng độ 0,5ppm, 2,0ppm và 5,0ppm Sau đó, thêm cyclohexan để đạt tổng thể tích 10,0ml dung dịch và để bình qua đêm trong ngăn mát tủ lạnh Sau khi đưa bình phản ứng về nhiệt độ phòng, chúng tôi siêu âm trong 1 giờ Cuối cùng, sau khi chiết, mẫu được làm nguội về nhiệt độ phòng, hút bằng xyranh y tế và lọc qua màng lọc PTFE kích thước 0,45um trước khi phân tích trên hệ thống GC-MS.
2.3.1 Quy trình xử lý mẫu trên nền HDPE Để khảo sát và đánh giá điều kiện tách chất phân tích ra khỏi nền mẫu HDPE bằng phương pháp chiết hồi lưu với cyclohexan chúng tôi đã tiến hành như sau: Thêm vào bình cầu dung tích 250ml có chứa 2,0g mẫu giả một thể tích hỗn hợp chất chuẩn 100ppm để được các nồng độ 0,5ppm ; 2,0ppm và 5,0ppm là 3 khoảng nồng độ khác nhau trên đường chuẩn, Thêm cyclohexan để được 25,0ml dung dịch Để bình cầu qua đêm trong ngăn mát tủ lạnh Đưa bình cầu về nhiệt độ phòng sau đó đem chiết hồi lưu trong 1 giờ Sau khi chiết, sử dụng xyranh y tế hút mẫu và lọc mẫu qua màng lọc PTFE kích thước 0,45um rồi đem phân tích trên hệ thống GC-MS Đối với phương pháp siêu âm với cyclohexan chúng tôi đã tiến hành như sau: Thêm vào bình phản ứng dung tích 50ml có chứa 2,0g mẫu giả một thể tích hỗn hợp chất chuẩn 100ppm để được các nồng độ 0,5ppm ; 2,0ppm và 5,0ppm là 3 khoảng
T HIếT Bị , HÓA CHấT
- Hệ thống GC-MS Thermo scientific : Trace GC Ultra/ISQ; Cột tách DB5-MS
- Bể lắc Amerex Insstrument Model 939XL
- Cân phân tích : Độ đọc 0,0001g 2.4.2 Dụng cụ
- Bình phản ứng dung tích 50ml ; bình nón dung tích 250ml ; bình quả lê dung tích 200ml ; bình định mức dung tích 25ml, 50ml
- Vial đựng mẫu dung tích 1,8ml ; 5ml
- Màng lọc PTFE kớch thước 0,45àm 2.4.3 Hoá chất, Chất chuẩn
- Methyl myristate (MM)- Sigma-Aldrich,USA 99,5%
- Cyclohexan dùng cho sắc kí khí, Merck
- Isopropanol dùng cho sắc kí khí, Merck
C HUẩN Bị CÁC DUNG DịCH CHUẩN
Các dung dịch chuẩn làm việc được pha chế từ dung dịch chuẩn gốc và pha loãng bằng cyclohexan Để tạo đường chuẩn, các dung dịch chuẩn được chuẩn bị từ dung dịch làm việc và cyclohexan, sau đó được bảo quản trong vial thủy tinh tối màu Thể tích của các dung dịch thành phần và dung môi được xác định chính xác bằng micropipet.
Cân chính xác 10mg BHT và BHA, sau đó định mức 5,0ml bằng cyclohexan Từ dung dịch chuẩn này, sử dụng micropipet để hút lượng đã tính toán vào bình định mức 50ml và thêm cyclohexan đến vạch, tạo ra hỗn hợp dung dịch chuẩn 100ppm (C1) C1 sẽ được sử dụng làm dung dịch làm việc MM được sử dụng làm nội chuẩn trong việc định lượng BHT và BHA, và quá trình cân, pha MM được thực hiện tương tự như với BHT và BHA.
Sử dụng dung dịch 25ppm (B) trong cyclohexan làm dung dịch làm việc
Cách chuẩn bị và mục đích sử dụng của các dung dịch chuẩn được trình bày trong bảng 2.1 và bảng 2.2
Bảng 2.1 Cách chuẩn bị dung dịch chuẩn làm việc
TT Nồng độ (ppm) và kí hiệu
Thể tớch cần lấy (àl)
Chuẩn bị dung dịch để dựng đường chuẩn
Bảng 2.2 Cách chuẩn bị các dung dịch để dựng đường chuẩn
Thể tớch cần lấy (àl)
Chuẩn bị dung dịch để dựng đường chuẩn
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Tối ưu hóa các điều kiện phân tích hai chất chống oxi hóa BHT và BHA trên hệ thống GC-MS 3.1.1 Chọn điều kiện bơm mẫu, thông số cho hệ máy GC-MS
Dựa trên tài liệu tham khảo và khuyến cáo từ nhà sản xuất Thermo Scientific, chúng tôi đã lựa chọn các thông số khảo sát phù hợp với cấu hình máy và điều kiện phòng thí nghiệm, nhằm phân tích hàm lượng BHT và BHA trong mẫu nhựa với độ chính xác cao.
- Thể tớch bơm mẫu 1àl, chế độ bơm khụng chia dũng (splitless)
- Khảo sát tốc độ dòng khí mang 0,8ml/phút ; 1,0ml/ phút và 1,2ml/phút
- Khảo sát nhiệt độ cổng bơm mẫu 230°C, 250°C và 280°C
- Khảo sát nhiệt độ nguồn ion 200°C, 220°C và 250°C
- Năng lượng nguồn ion hóa Ei 0,7eV
- Thời gian ngắt dung môi 4,30 phút
- Chế độ quét SCAN : quét ion trong khoảng m/z 30-300 amu
- Chế độ SIM: chọn các ion đặc trưng 43, 57, 74, 87, 137, 165, 180, 205, 220
- Nhiệt độ MS Transfer line : 300°C
- Cột tỏch : DB-5MS kớch thước cột 30m dài x 0,25mm ID x 1,0àm film
3.1.2 Khảo sát nhiệt độ cổng bơm mẫu
Nhiệt độ cổng bơm mẫu được chọn trong khoảng 230°C đến 280°C, đảm bảo đủ cao để mẫu phân tích có thể hoá hơi hoàn toàn nhưng không quá lớn để tránh phân huỷ mẫu Chúng tôi đã khảo sát nhiệt độ cổng bơm ở các mức 230°C, 250°C và 280°C với hỗn hợp dung dịch chuẩn BHT và BHA có nồng độ 2,0mg/l.
Hình 3.1 Sắc đồ sự ảnh hưởng của diện tích pic vào nhiệt độ cổng bơm mẫu
Tại nhiệt độ 250°C, diện tích pic lớn và đồng đều nhất Ở 280°C, pic của BHA tăng nhưng pic của BHT lại giảm so với 250°C, có thể do BHT bị phân huỷ ở nhiệt độ này Ở 230°C, hiện tượng doãng pic cũng xảy ra.
3.1.3 Khảo sát tốc độ dòng khí mang Heli
Tốc độ khí mang là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ phân giải của chất phân tích theo phương trình Van-Deemter Sự thay đổi tốc độ dòng khí sẽ tác động đến áp suất, thời gian lưu và diện tích pic Dựa trên tài liệu của hãng và các nguồn tham khảo [24,34], chúng tôi đã chọn khảo sát tốc độ dòng ở các mức 0,8; 1,0 và 1,2 ml/phút Để thực hiện khảo sát, chúng tôi sử dụng hỗn hợp chuẩn 2,0 ppm.
Hình 3.2 Săc đồ sự ảnh hưởng của tốc độ dòng khí mang đến diện tích pic
Từ kết quả sắc đồ, chúng tôi nhận thấy rằng ở tốc độ dòng 0,8 ml/phút, hiện tượng doãng pic xảy ra, dẫn đến diện tích pic thấp hơn nhiều so với hai tốc độ dòng còn lại Mặc dù ở tốc độ 1,2 ml/phút diện tích pic lớn hơn, nhưng sự khác biệt không đáng kể so với tốc độ 1,0 ml/phút Vì vậy, để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và phân tích, chúng tôi quyết định chọn tốc độ dòng 1,0 ml/phút cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.1.4 Khảo sát nhiệt độ buồng ion Căn cứ vào tài liệu của hãng chúng tôi tiến hành khảo sát nhiệt độ nguồn ion ở 200°C; 220°C ; 250°C đối với hỗn hợp dung dịch chuẩn 2,0 ppm
Nhiệt độ buồng ion 220°C cho kết quả tốt nhất về hình dạng và diện tích pic, như thể hiện trong hình 3.3 Vì vậy, chúng tôi quyết định sử dụng nhiệt độ này cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.1.5 Chế độ quan sát chọn lọc ion ( Selected Ion Monitoring-SIM)
Sau khi phân tích hỗn hợp chất chuẩn ở chế độ SCAN, chúng tôi đã chọn ra những mảnh có tính chất đặc trưng và tín hiệu mạnh để sử dụng trong chế độ SIM nhằm tăng cường độ nhạy của phép phân tích SIM, hay chế độ quét chọn lọc ion, cho phép định lượng với độ chính xác cao bằng cách chỉ ghi nhận tín hiệu của những mảnh ion đã được cài đặt, tương ứng với các chất cần phân tích Các mảnh phổ đặc trưng cho các chất được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Các mảnh phổ đặc trưng của BHT và BHA STT
Chất phân tích và nội chuẩn
Mảnh định lượng (m/z) Mảnh so sánh (m/z)
Sau khi xem xét tài liệu và khảo sát các điều kiện đã nêu, chúng tôi đã xác định các thông số tối ưu cho quá trình chạy sắc kí, như được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2: Các thông số tối ưu hóa cho quá trình chạy sắc kí
TT Thông số Giá trị tối ưu cho phép phân tích trên GC-MS
1 Nhiệt độ nguồn ion hoá 220°C
3 Nhiệt độ cổng bơm mẫu 250°C
4 Thể tớch bơm mẫu 1àl
5 Chế độ bơm mẫu Không chia dòng (splitless)
8 Tốc độ khí mang (chế độ đẳng dòng) 1.0 ml/phút
9 Chế độ chạy GC SIM
11 Thời gian trì hoãn dung môi 4,30 phút
12 Hệ thống bơm mẫu Tự động
Bảng 3.3 Chương trình nhiệt độ của GC cho phân tích BHT, BHA
TT Nhiệt độ cột GC
Tốc độ tăng nhiệt (°C/phút)
Thời gian duy trì nhiệt độ (phút)
3.1.6 Khảo sát thời gian lưu của các chất cần phân tích Tiến hành khảo sát thời gian lưu của các chất cần phân tích bằng cách đo lặp lại
3 lần hỗn hợp chuẩn 2,0 ppm với các điều kiện tối ưu như đã khảo sát ở trên
Bảng 3.4 Thời gian lưu và độ rộng cửa sổ thời gian lưu của BHT,BHA và nội chuẩn MM
Thời gian lưu (t R ) t R trung bình (phút) Độ lệch chuẩn (s) Độ rộng cửa sổ t R (3s) t R (phút)
Hình 3.4 Sắc đồ thời gian lưu của BHT, BHA và MM
1 #367 RT: 5.25 AV: 1 SB: 41 5.25-5.32 , 5.17-5.24 NL:8.92E5 T: {0,0} + c EI Full ms [30.00-300.00]
Hình 3.5 Phổ khối lượng của BHT chế độ scan
2 #31 RT: 5.22 AV: 1 NL: 1.57E6 T: {0,0} + c EI SIM ms [42.50-43.50, 56.50-57.50, 73.50-74.50, 86.50-87.50, 136.50-137.50, 164.50-165.50, 179.50-180.50, 204.50-205.50, 219.50-220.50]
Hình 3.6 Phổ khối lượng của BHTchế độ SIM
1 #436 RT: 5.48 AV: 1 SB: 29 5.49-5.54 , 5.43-5.47 NL: 6.95E5 T: {0,0} + c EI Full ms [30.00-300.00]
Hình 3.7 Phổ khối lượng của BHA chế độ scan
BHA+BHT #151 RT: 7.06 AV: 1 SB: 24 7.10-7.41 , 6.92-7.06 NL: 1.16E6 T: {0,0} + c EI SIM ms [56.50-57.50, 136.50-137.50, 164.50-165.50, 179.50-180.50, 204.50-205.50, 219.50-220.50]
Hình 3.8 Phổ khối lượng của BHA chế độ SIM
1 #604 RT: 6.05 AV: 1 SB: 13 6.06-6.08 , 6.03-6.05 NL: 9.03E5 T: {0,0} + c EI Full ms [30.00-300.00]
Hình 3.9 Phổ khối lượng của MM chế độ scan
CHUAN5PPM #59 RT:6.08 AV:1 NL: 6.95E5 T: {0,0} + c EI SIM ms [42.50-43.50, 56.50-57.50, 73.50-74.50, 86.50-87.50, 136.50-137.50, 164.50-165.50, 179.50-180.50, 204.50-205.50, 219.50-220.50]
Hình 3.10 Phổ khối lượng của MM chế độ SIM
X ÂY DựNG ĐƯờNG CHUẩN , XÁC ĐịNH LOD, LOQ CủA THIếT Bị
Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số đáp ứng Rf vào nồng độ các chất cần phân tích được thực hiện bằng cách pha chế dung dịch chuẩn như trong bảng 2.2 Mỗi nồng độ được bơm lặp lại 3 lần để tính giá trị trung bình, từ đó dựng đường chuẩn Đường chuẩn này hỗ trợ trong việc phân tích BHT và BHA, như được trình bày trong bảng 3.5 và 3.6.
Bảng 3.5 Đường chuẩn của BHT
R 2 SD N P - 0,99997 0,00779 9