quy trình xác định thuốc diệt cỏ glyphosate

ĐỀ CƯƠNG NGHIÊN CỨU Tên đề cương: Nghiên cứu quy trình xác định thuốc diệt cỏ glyphosate, paraquat số chất bảo vệ thực vật phân cực mạnh môi trường phương pháp LC-MS Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề cương Trong thập niên vừa qua, việc sử dụng chất diệt cỏ họ organophosphate – glyphosate [(N-phosphonomethyl) glycine] (hình 1) – ngày trở nên phổ biến thuốc diệt cỏ sử dụng nhiều giới [1] Nó dùng để kiểm soát loại cỏ nông nghiệp, lâm nghiệp, làm vườn ngành đường sắt Sau phun tưới, glyphosate nhanh chóng bị hấp thụ đất bị phân hủy phần thành aminomethylphosphonic acid (AMPA) – chất chuyển hóa (hình 1) sau vào hệ thống nước ngầm nước bề mặt (sông ngòi) [2] Hình Glyphosate (trái) AMPA (phải) Sở dĩ glyphosate sử dụng rộng rãi tính hiệu cao cho an toàn môi trường thường gắn kết với chất keo đất bị phân hủy vi khuẩn có đất Nhưng làm gia tăng việc sử dụng glyphosate tràn lan dẫn tới biến đổi gen trồng kháng glyphosate gia tăng lượng glyphosate vào hệ thống nước [3] Mặc dù glyphosate coi hợp chất “không độc” [4] nghiên cứu gần cho thấy thuốc bảo vệ thực vật có chứa glyphosate gây ảnh hưởng đến điều chỉnh vòng tế bào [5] Dư lượng glyphosate tìm thấy nhiều loại mẫu bao gồm mẫu thực vật [6] Nồng độ tối đa cho phép glyphosate nước uống Mỹ 0.70 mg/L [7] 0.1 g/L Liên Hiệp Châu Âu [8] Việc xác định glyphosate mẫu môi trường nông nghiệp gây nhiều vấn đề khó khăn hợp chất có phân tử lượng nhỏ, có độ phân cực cao khả tan nước lớn tan dung môi hữu Hơn nữa, có cấu trúc tương tự thành phần có amino acid nên gây nhiễu trình phân tích Ngoài ra, glyphosate có khả hấp thụ mạnh vào thành phần khoáng chất hữu có tầng địa chất [2, 9] tạo phức cation kim loại [10] gây khó khăn cho việc cô lập phân tích Những khó khăn việc xác định glyphosate gây nên nhiều vấn đề việc khảo sát chất lượng môi trường Ví dụ Đan Mạch gần phát ô nhiễm rộng khắp hệ thống nước ngầm [11] Theo nhà nghiên cứu Canada, glyphosate làm gia tăng phát triển nấm làm hại lúa mạch [11] Những ảnh hưởng khác glyphosate phát có phương pháp phân tích hiệu dễ dàng Nhiều phương pháp sắc ký phát triển cho việc phân tích glyphosate AMPA sắc ký khí (GC), điện di mao quản (CE), sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) [12-15] Tuy nhiên, đặc tính ion tan nhiều nước khiến cho phương pháp HPLC có nhiều ưu điểm GC Do thành phần hóa học nhóm chức thích hợp cho việc phân tích UV, huỳnh quang, nên glyphosate AMPA cần phải tạo dẫn xuất với 9-fluorenylmethylchloroformate (FMOC-Cl) để tạo hợp chất phát huỳnh quang đồng thời làm giảm độ phân cực để phân tích phương pháp sắc ký lỏng huỳnh quang khối phổ Một bất lợi việc sử dụng thuốc thử dẫn xuất FMOC-Cl tạo hợp chất thứ cấp FMOC-OH gây nhiễu mũi sắc ký glyphosate phân tích sắc ký lỏng đầu dò huỳnh quang [15, 17, 18] Các dẫn xuất FMOC với glyphosate AMPA thường tách cột pha đảo silica C18 Tuy nhiên, việc sử dụng pha động với đệm pH trung tính ammonium acetate thường gây bành rộng kéo dài pic sắc ký [14, 19, 20] Ngoài ra, trình tạo dẫn xuất làm kéo dài thời gian phân tích Do việc tìm phương pháp phân tích trực tiếp không qua trình tạo dẫn xuất có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn thách thức cho người nghiên cứu phương pháp Bên cạnh glyphosate đề tài đề cập đến việc phân tích glufosinate hợp chất thường phun kết hợp với glyphosate thuốc diệt cỏ có glyphosate thị trường Sau phun vào đất, glufosinate bị chuyển hóa thành 1,3methylphosphinicopropionic acid (MPPA) Trong năm gần sắc ký tương tác ưa nước (Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography, HILIC) cộng đồng khoa học đặc biệt quan tâm có nhiều ứng dụng lãnh vực dược phẩm, sinh học, y học, môi trường, an toàn thực phẩm,…[21] Trong hệ cột sắc ký HILIC đời, loại cột chứa ligand zwitterion có nhiều tính đặc biệt phân tích đồng thời cation, anion hợp chất trung hoà điện cột ZIC-cHILIC, Obelisc N (cột tách đa chế chế tạo theo công nghệ tế bào (Liquid Separation Cell technology – LiSCTM) có khả tách hợp chất nhỏ có độ phân cực cao glyphosate) [22] Theo nghiên cứu mà thực với hợp chất phân cực có nhóm carboxyl amine tương tự glyphosate AMPA cột zwitterion phù hợp cho việc phân tích hợp chất ưa nước mang loại điện tích glyphosate AMPA mà không cần phải tạo dẫn xuất để làm giảm độ phân cực Cột zwitterion sắc ký đa chế Trong loại cột HILIC Obelisc có mặt thị trường nay, cột với nhóm chức zwitterion có nhiều ưu điểm vừa trì chế phân bố HILIC vừa có thêm khả trao đổi cation lẫn anion Điều cho phép phân tích đồng thời chất trung hòa điện, chất mang điện tích dương, âm zwitterions mà không cần phải phân tích nhiều lần nhiều loại cột khác Sự lưu giữ đa chế mở rộng khả hoạt động cột đồng thời gây không khó khăn việc phát triển phương pháp tính phức tạp Vì đề tài loại cột zwitterion khảo sát Các loại cột thị trường nay: với vị trí đảo ngược tâm điện tích (ZIC-HILIC ZIC-cHILIC) cột Obelisc N (hình 3) với cấu hình tương tự cột ZIC-cHILIC (hình 2) Hình Pha tĩnh ZIC-HILIC ZIC-cHILIC Hình 3: Cấu tạo pha tĩnh Obelisc N Paraquat hay gramoxone (1,1-dimethyl-4,4'-bipyridylium chloride) hợp chất sử dụng để diệt cỏ dại sản xuất bông, gạo ngô Cùng với paraquat diquat (1,1'ethylene-2,2'-bipyridyldiylium dibromide) chúng thuộc họ bipyridyl nên có khả diệt cỏ mạnh ứng dụng rộng rãi giới Việt Nam (hình 4) Tuy nhiên độc tính mạnh hai hợp chất tiếp xúc với động vật người [23] nên Châu Âu Mỹ cấm sử dụng Việt Nam chất bảo vệ thực vật sử dụng nhiều Độ phân cực hợp chất gần tương tự glyphosate nên có khả lưu giữ tách cột sắc ký lỏng đa chế Hình Paraquat (trái) Diquat (phải) Thêm vào đó, nghiên cứu phân tích chất bảo vệ thực vật phân cực mạnh khác họ atrazine, phenylurea, carbamat, chlorophenoxy acid,… Đây hợp chất có độ phân cực cao (logKOW < 0) có khả lưu giữ tốt glyphosate cột pha đảo C18 thông thường khảo sát để mở rộng khả ứng dụng đề tài việc khảo sát ô nhiễm dư lượng thuốc bảo vệ thực vật môi trường nước đất Mục đích nghiên cứu đề cương Nghiên cứu phát triển phương pháp phân tích HPLC-MS với cột sắc ký đa chế nhằm xác định đồng thời hàm lượng thuốc diệt cỏ glyphosate, glufosinate chất chuyển hóa; từ phát triển phương pháp phân tích sắc ký lỏng khối phổ chất với paraquat, diquat phát triển quy trình phân tích chất bảo vệ thực vật phân cực mạnh khác cột C18 Nghiên cứu quy trình chiết làm nhằm loại bỏ tạp chất làm giàu mẫu để tăng tính chọn lọc độ nhạy phương pháp phân tích Sau phương pháp phân tích toàn diện bao gồm trình phân tích LC-MS trình chiết làm sạch, làm giàu thẩm định áp dụng vào khảo sát dư lượng chúng môi trường nơi khảo sát rộng vùng xung quanh chất lưu chuyển tới theo mưa, thủy triều, … Đối tượng, phương pháp nghiên cứu - Đối tượng: thuốc diệt cỏ glyphosate, glufosinate chất chuyển hóa với paraquat, diquat chất bảo vệ thực vật phân cực mạnh - Phương pháp nghiên cứu: LC-MS, chiết pha rắn (SPE), PCA (Principal Component Analysis) dùng để thống kê, khoanh vùng, lập đồ mức độ ô nhiễm chất môi trường Nội dung phạm vi vấn đề sâu nghiên cứu  Phương pháp phân tích trực tiếp glyphosate, glufosinate chất chuyển hóa chúng cột sắc ký lỏng đa chế ghép nối với đầu dò khối phổ so sánh với phương pháp phân tích gián tiếp tạo dẫn xuất với FMOC  Phương pháp phân tích LC-MS paraquat diquat mẫu môi trường  Phương pháp phân tích LC-MS chất bảo vệ phân cực mạnh họ atrazine, phenylurea, chlorophenoxy acid, carbamat cột C18  Sự tồn chất môi trường đất nước theo dõi chuyển hóa, phân hủy chúng theo thời gian Dự kiến kết đạt được:  Một quy trình phân tích trực tiếp glyphosate, glufosinate chất chuyển hóa chúng cột sắc ký lỏng đa chế  Một quy trình phân tích trực tiếp paraquat diquat hệ sắc ký lỏng khối phổ  Số liệu khảo sát dư lượng chất bảo vệ thực vật nước đất số vùng trồng trọt thành phố Hồ Chí Minh lưu vực sông Cửu Long  Dữ liệu trình chuyển hóa, phân hủy, loại bỏ đất nước tác động đến môi trường Nơi thực đề tài nghiên cứu luận án  Phòng thí nghiệm Bộ môn Hóa Phân tích thuộc Khoa Hóa – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh  Phòng Phân tích Trung tâm thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh  Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Hóa dầu thuộc trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh  Phòng Sắc ký Khối phổ thuộc Viện Khoa học Phân tích Lyon – Pháp (Institu des Sciences Analytiques – ISA) Tài liệu tham khảo: L A Castle, D L Siehl, R Gorton, P A Patten, Y H Chen, S Bertain, H Cho, N Duck, J Wong, D Liu, M W Lassner, Science 304, 1151 (2004) M.L Rueppel, B.B Brightwell, J Schaefer, J.T Marvel, J Agric Food Chem 25, 517 (1977) U.S Department of Agriculture Agricultural Chemical Usage-1995 and 1999 Field crops summary; National Agricultural Statistics Service: Washington, DC, 1996 and 2000 G M Williams, R Kroes, I C Munro, Regul Toxicol Pharmacol 31, 117 (2000) J Marc, O Mulner-Lorillon, R Belle, Biol Cell 96, 245 (2004) C Cox, J Pestic Reform 18 (3), (1998) USEPA web site: http://www.epa.gov/safewater/dwh/c-soc/glyphosa.html EEC Council Directive 98/83/EEC, OJ L 330 12.05.1998, pp 32-54 D G Thompson, J E Crowell, R J Daniels, B Staznik, L M MacDonald, J Assoc Off Anal Chem 72, 355 (1989) 10 R.L Glass, J Agric Food Chem 31, 280 (1983) 11 The Royal Society of Chemistry Pesticide Outlook; October 2003, pp 189-190 12 E Börjesson, L Torstensson, J Chromatogr A 886, 207 (2000) 13 M Corbera, M Hidalgo, V Salvado, P.P Wieczorek, Analytica Chimica Acta 540, (2005) 14 R.J Vreeken, P Speksnijder, I Bobeldijk-Pastorova, T.H.M Noij, J Chromatogr A 794, 187 (1998) 15 C Hidalgo, C Rios, M Hidalgo, V Salvado, J.V Sancho, F Hernández, J Chromatogr A 1035, 153 (2004) 16 C.J Miles, L.R.Wallace, H.A Moye, J Assoc Off Anal Chem 69, 458 (1986) 17 J.V Sancho, F Hernández, F.J López, E.A Hogendoorn, E Dijkman, P Van Zoonen, J Chromatogr A 737, 75 (1996) 18 T.V Nedelkoska, G.K.C Low, Analytica Chimica Acta 511, 145 (2004) 19 M Ibáñez, O.J Pozo, J.V Sancho, F.J López, F Hernández, J Chromatogr A 1081, 145 (2005) 20 M Ibáñez, O.J Pozo, J.V Sancho, F.J López, F Hernández, J Chromatogr A 1134, 51 (2006) 21 P.G Wang, W He, Hydrophylic Interaction Liquid Chromatography and Advanced Applications, CPR Press Taylor & Francis Group, 2011 22 N Yoshioka, M Asano, A Kuse, T Mitsuhashi, Y Nagasaki, Y Ueno, J Chromatogr A 1218, 3675 (2011) 23 S L Tompsett, Acta Pharmacol et Toxicol 28, 346 (1970) Phân bổ thời gian thực hiện:  Năm thứ 1:  tháng đầu: tổng hợp, phân tích tài liệu; kết thúc việc trình bày tiểu luận lý thuyết tổng quan đề tài  tháng tiếp theo: làm quen với phương pháp phân tích sắc ký lỏng cột đa chế hệ khối phổ, thực khảo sát sơ với glyphosate, glufosinate chất chuyển hóa để nắm vững lý thuyết phương pháp định rõ khó khăn, vướng mắc, vấn đề cần giải thời gian tiếp theo; với phát triển phương pháp phân tích chất bảo vệ thực vật phân cực mạnh khác  Năm thứ 2: triển khai phương pháp nghiên cứu mẫu nước đất thu thập vùng trồng trọt tp.HCM  đánh giá sơ phương pháp kết thu  Năm thứ 3: tiếp tục công việc năm thứ mở rộng đối tượng mẫu cho số nơi thuộc đồng sông Cửu Long; viết đăng báo viết luận án Nếu số lượng công việc lớn có khó khăn trở ngại bất ngờ trình nghiên cứu khiến NCS hoàn tất luận án năm kéo dài thêm năm Xác nhận Giáo viên hướng dẫn TS TRẦN THỊ NHƯ TRANG ... gian thực hiện:  Năm thứ 1:  tháng đầu: tổng hợp, phân tích tài liệu; kết thúc việc trình bày tiểu luận lý thuyết tổng quan đề tài  tháng tiếp theo: làm quen với phương pháp phân tích sắc... ký Khối phổ thuộc Viện Khoa học Phân tích Lyon – Pháp (Institu des Sciences Analytiques – ISA) Tài liệu tham khảo: L A Castle, D L Siehl, R Gorton, P A Patten, Y H Chen, S Bertain, H Cho, N Duck,... diquat hệ sắc ký lỏng khối phổ  Số liệu khảo sát dư lượng chất bảo vệ thực vật nước đất số vùng trồng trọt thành phố Hồ Chí Minh lưu vực sông Cửu Long  Dữ liệu trình chuyển hóa, phân hủy, loại