Nguyên lý hoạt động của sắc ký khí: Trong quá trình khí mang đem mẫu qua cột sắc ký, các hỗn hợp của các hợp chất trong pha động xảy ra sẽ tương tác với pha tĩnh. Mỗi hợp chất trong hỗn hợp tương tác với pha tĩnh một lực tương tác khác nhau. Những tương tác yếu nhất sẽ ra khỏi cột nhanh nhất, những tương tác mạnh nhất sẽ thoát ra khỏi cột sau cùng. Bằng cách thay đổi các đặc điểm của pha động và pha tĩnh, sẽ tách ra được các hỗn hợp khác nhau của các chất hóa học. Có thể cải tiến quá trình phân tách bằng cách thay đổi nhiệt độ của pha tĩnh hoặc áp suất pha động. Sau khi đi qua cột sắc ký khí, các chất tiếp tục đi qua pha khối phổ. Các phân tử phải đi qua một luồng electrons và bị chia thành những mảnh nhỏ hơn mang điện tích dương (ions) trong điều kiện chân không. Các ion dương này di chuyển tới bộ lọc từ trường điện từ. Bộ lọc này chỉ cho phép các hạn có khối lượng nằm trong một giới hạn nhất định đi qua. Cuối cùng các mảnh ion va chạm vào detector, chuyển thành tín hiệu điện. Mối liên hệ tuyến tính giữa nồng độ và tín hiệu điện giúp định lượng được các PAHs.
1.5. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NGUỒN PHÁT THẢI PAHs
Do độc tính gây ung thư, đột biến gen và các bệnh nguy hiểm khác của PAHs đối với con người nên cần phải có biện pháp giảm thiểu nồng độ chất ô nhiễm PAHs trong môi trường. Đối với môi trường không khí, bên cạnh việc xây dựng tiêu chuẩn chất lượng không khí và ban hành những hướng dẫn để hạn chế sự phơi nhiễm PAHs thì việc xác định nguồn phát thải PAHs để có biện
pháp kiểm soát, giảm thiểu, loại bỏ ngay tại nguồn cần được quan tâm hàng đầu. Vì vậy, dự đoán nguồn phát thải PAHs vào môi trường không khí rất quan trọng. Hiện nay, các phương pháp được sử dụng phổ biến để dự đoán nguồn gốc phát thải của PAHs tại khu vực quan trắc gồm: 1) Phương pháp phân tích thành phần chính (Principal components analysis - PCA), 2) phương pháp tỉ lệ của một số đồng phân PAHs, 3) Phương pháp tính độ tuổi của PAHs và 4) Ứng dụng mô hình nguồn tiếp nhận, sự dịch chuyển của các khối không khí trong khí quyển để dự đoán khối không khí đem chất ô nhiễm từ đâu đến vị trí quan trắc. Trong khuôn khổ của đề tài này, phương pháp phân tích PCA và phân tích tỷ lệ đồng phân của PAHs sẽ được áp dụng. Vì tính tuổi của PAHs cần phân tích một số PAHs ngoài danh sách 16 PAHs theo EPA, còn ứng dụng mô hình nguồn tiếp nhận cần sử dụng điều kiện khí tượng và các mô hình chuyên sâu sẽ được thực hiện bởi các nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.
1.5.1. Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA)
Phương pháp PCA là một kỹ thuật thống kê đa biến được sử dụng nhiều trong nghiên cứu ô nhiễm không khí. Nguyên tắc của PCA là giảm số lượng biến trong bộ dữ liệu (số liệu) gốc nhưng vẫn giữ được thông tin của bộ dữ liệu gốc ở mức độ nhiều nhất có thể và do đó các biến có những đặc điểm giống nhau của bộ dữ liệu gốc sẽ được nhóm vào cùng hợp phần (thành phần) [44]. Fang và công sự [45] sử dụng phương pháp PCA để nhận dạng nguồn phát thải PAHs trong không khí ở lề đường và không khí xung quanh trung tâm Đài Loan. Kết quả cho thấy, cả hai vị trí nguồn phát thải PAHs bao gồm: phương tiện giao thông (cả động cơ sử dụng xăng và dầu diesel), lò đốt rác và hoạt động công nghiệp. Khume và cộng sự [46] sử dụng phương pháp PCA để nhận dạng nguồn phát thải PAHs vào không khí đô thị Shizuoka, Nhật Bản. Kết quả cho thấy, phương tiện giao thông có động cơ sử dụng dầu diesel là nguồn chính phát thải PAHs vào không khí đô thị Shizuaka.
1.5.2. Phương pháp tỉ lệ đồng phân PAHs
Phương pháp tỷ lệ của một số đồng phân PAHs dựa trên cơ sở cho rằng các PAHs được đặc trưng bởi những nguồn phát thải khác nhau. Đây là phương pháp đơn giản, ít tốn kém và cũng được sử dụng rộng rãi trong nhiều nghiên cứu về dự đoán nguồn phát thải PAHs vào môi trường. Các PAHs có khối lượng
phân tử cao như (Flt, Pyr, BaA, Chr, BaP) có nguồn gốc từ quá trình đốt cháy. Các PAHs có nguồn gốc từ dầu mỏ chủ yếu là các PAHs có khổi lượng phân tử thấp (2-3 vòng). Ngoài ra, dựa theo tỉ lệ hàm lượng 2 PAHs có khối lượng phân tử bằng nhau cũng có thể đánh giá nguồn gốc PAHs. Khi tỷ lệ Flt/Pyr (khối lượng phân tử đều là 202 đvC) lớn hơn 1 chỉ ra nguồn gây ô nhiễm PAHs là từ quá trình đốt cháy, khi tỷ lệ này nhỏ hơn 1 đặc trưng cho nguồn ô nhiễm từ xăng dầu [47]. Các PAHs tạo thành từ quá trình đốt cháy ở nhiệt độ thấp và quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao. Phe và Ant đều có khối lượng phân từ là 178 đvC. Tỉ lệ Phe/Ant phụ thuộc vào nhiệt độ. Nếu quá trình đốt cháy ở nhiệt độ càng cao thì tỉ lệ này giảm. Tỷ lệ này có giá trị từ 4 - 10 đặc trưng cho quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cáo từ 800 - 1.000K và ngược lại [48]. Zhou và cộng sự [49] sử dụng tỉ lệ Ant/(Ant + Phe), Fluo/(Fluo + Py), BaA/(BaA + Chr), InP/(InP + BghiP) và BeP/(BeP + BaP) để xác định nguồn phát thải PAHs trong bụi không khí ở vùng đô thị và ngoại ô Bắc Kinh, Trung Quốc. Kết quả cho thấy, (1) hoạt động đốt than phục vụ sinh hoạt là nguồn chính phát thải PAHs trong mùa đông; (2) vào các mùa khác trong năm, phương tiện giao thông sử dụng động cơ xăng và dầu diesel là nguồn chính phát thải PAHs; (3) tất cả các mùa trong năm, hoạt động đốt sinh khối và bụi đường chỉ đóng góp một phần nhỏ hàm lượng PAHs trong bụi không khí tại Bắc Kinh. Tỉ số nồng độ của InP/BghiP cho biết sự khác nhau giữa các loại nhiên liệu được đốt cháy. Theo Part và công sự [50] tỉ số InP/BghiP có giá trị khoảng 0,4 biểu thị cho sự phát thải trực tiếp từ động cơ sử dụng xăng, có giá trị là 1 biểu thị cho sự phát thải trực tiếp từ động cơ sử dụng dầu diesel, từ 0,23 - 0,33 là do đốt gỗ. Tỉ số BaA/Chr có giá trị từ 0,27 - 0,49 biểu thị cho sự phát thải trực tiếp từ động cơ sử dụng xăng, từ 0,49 - 0,66 phát thải từ động cơ sử dụng dầu diesel, từ 0,66 - 0,92 đặc trưng cho sự phát thải trực tiếp từ quá trình đốt gỗ và từ 1,05 - 1,17 là do quá trình đốt than đá. Tỷ kệ BaA/BghiP >0,6 là do giao thông còn < 0,6 không phải do giao thông [51].
1.6. RỦI RO CỦA CHẤT GÂY Ô NHIỄM TỚI CON NGƯỜI
Đối với nồng độ PAHs có trong không khí sẽ có nguy cơ ảnh hưởng nhất định tới sức khỏe của con người, đặc biệt những người trong độ tuổi lao động, có thời gian hoạt động ngoài trời nhiều.
Các PAHs thường được phân loại thành các nhóm theo số vòng thơm hoặc theo một cách tương đối hơn là PAHs phân tử khối thấp (LMW-PAHs với 2-3 vòng thơm) và PAHs phân tử khối cao (HMW-PAHs với 4 vòng thơm trở lên). Xét trên quan điểm độc học, độc tính của hỗn hợp PAHs (đáng chú ý nhất là khả năng gây ung thư) cần được định lượng thông qua một chất tham chiếu và một hệ số độc tương đương (TEF). BaP là chất được sử dụng phổ biến nhất trong các nghiên cứu về độc học của PAHs và thường được coi là chất có TEF = 1 [52]. Dựa trên kết quả hàm lượng PAHs tại các vị trí lấy mẫu thu được thì đánh giá rủi ro sức khỏe đối với con người được tiến hành bằng một số phương pháp dưới đây:
Phương pháp 1: Nguy cơ ung thư qua đường hô hấp của PAHs được tính toán theo phương pháp tiếp cận được phát triển bởi Văn phòng Đánh giá Nguy cơ Sức khỏe Môi trường của Cơ quan Bảo vệ Môi Trường Califormia (CalEPA) [53]. Độc tính của BaPeq sử dụng để đánh giá chất nguy cơ gây ung thư được tính bằng cách nhân nồng độ PAHs với hệ số độc tương đương (TEF) của từng hợp chất PAHs bằng công thức sau:
ECR = ∑BaPeq × URBaP
Nguy cơ ung thư vượt mức (ECR) được tính bằng tích ∑ BaPeq và hệ số khả năng gây ung thư của BaP là (URBaP). Các yếu tố đơn vị ngẫu nhiên, theo đơn vị nồng độ nghịch đảo là ng/m3 được sử dụng để đánh giá nguy cơ ung thư khi hít phải trực tiếp từ nồng độ trong không khí. Hệ số URBaP được cung cấp bởi Tổ chức Y tế Thế giới là 8,7 × 10-5 ng/m3 [54].
Tổng nồng độ độc tính của BaP theo như công thức sau:
∑BaPeq = ∑(Ci × TEFi)
Với Ci là nồng độ và TEF là hệ số độc tương đương của đồng phân PAH thứ i. Phương pháp 2: Đánh giá liều lượng trung bình hằng ngày qua đường hô hấp trong suốt thời gian sống đối với tác động gây ung thư.
𝐶DI = CA × 0,001 × IR × RR × ABSS × ET × EF × ED BW × AT
CDI: Liều lượng trung bình hằng ngày qua đường hô hấp của PAHs (mg/kg-ngày)
CA: Nồng độ PAHs có trong không khí (ng/m3), sử dụng nồng độ tổng cộng. IR: Tốc độ hô hấp (m3/giờ).
RR: Tỉ lệ không khí được lưu giữ trong cơ thể khi hô hấp (%). ABSS: Phần trăm hóa chất được hấp thụ trong máu
ET: Thời gian phơi nhiễm (giờ/ngày) EF: Tần số phơi nhiễm (ngày/năm) ED: Thời gian phơi nhiễm
BW: Trọng lượng cơ thể, khối lượng trung bình của người trưởng thành Việt Nam
Khả năng gây ung thư, đột biến gen và hệ số độc tương đương của 16 PAHs điển hình được thể hiện chi tiết trong bảng 1.2 dưới đây [52].
Bảng 1.2. Khả năng gây ung thư, đột biến gen và hệ số độc tương đương của một số PAHs STT PAHs Khả năng gây đột biến gen Khả năng gây ung thư Hệ số độc tương đương (TEF) 1 Naphtalene - ? 0,001 2 Acenaphthene ? ? 0,001 3 Acenaphthylene ? KNC 0,001 4 Fluorene - - 0,001 5 Phenanthrene + - 0,001 6 Anthracene ? - 0,001 7 Fluoranthene + + 0,001 8 Pyrene + ? 0,001
STT PAHs Khả năng gây đột biến gen Khả năng gây ung thư Hệ số độc tương đương (TEF) 9 Benzo (a)anthracene + + 0,1 10 Chrysene + + 0,001 11 Benzo(b)fluoranthene + + 0,1 12 Benzo(k)fluoranthene + + 0,1 13 Benzo(a)pyrene + + 1 14 Indeno(1,2,3c,d)pyrene + + 0,01 15 Dibenzo(a,h)anthracene + + 1 16 Benzo(g,h,i)perylene + - 0,01
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu: Đề tài tiến hành lấy mẫu và phân tích hàm lượng của 16 PAHs (do Cục Bảo vệ Môi trường của Mỹ US.EPA khuyến cáo bao gồm: Naphthalene, Acenaphthylene, Acenaphthene, Fluorene, Phenathrene, Anthracene, Fluorathene, Pyrene, Benzo (a) anthracene, Chrysene, Benzo (b) fluoranthene, Benzo (k) fluoranthene, Benzo (a) pyrene, Dibenzo (a) anthracene, Benzo (g,h,i) perylene, Indenol (1,2,3-c,d) pyren) trong mẫu không khí tại khu vực tòa nhà The Pride - Hà Đông, TP. Hà Nội trong khoảng thời gian là 01 tháng (từ ngày 07/9/2020 đến ngày 07/10/2020).
- Phạm vi nghiên cứu: mẫu không khí theo độ cao từ tầng 06 - tầng 36 tại khu vực tòa nhà nêu trên.
2.2. THÔNG TIN VỊ TRÍ LẤY MẪU
Mẫu không khí được lấy tại tòa nhà The Pride - Hà Đông, TP. Hà Nội cao 36 tầng, nằm trên trục đường Tố Hữu - Dương Nội, bằng phương pháp lấy mẫu thụ động theo độ cao. Tính từ tầng thượng, cứ 3 tầng (cách nhau khoảng 10m) sẽ đặt 1 thiết bị lấy mẫu ở phía ngoài tòa nhà, các vị trí đều được lấy mẫu lặp nhằm đảm bảo kết quả có độ chính xác hơn trong quá trình nghiên cứu. 2.3. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT
2.3.1. Thiết bị và dụng cụ
a. Thiết bị tách - chiết mẫu
- Hệ thiết bị chiết soxhlet sử dụng trong tách, chiết mẫu. - Bộ cất quay chân không: hãng Buchi, Đức.
- Thiết bị thổi khí: Reacti-therm III #TS-18829, hãng Thermo, Mỹ.
- Cân phân tích điện tử AEA - 160DG AE251113272 ADAM - Anh, độ chính xác: 0,00001g; dải cân: 0 - 160g.
- Bình chiết 500mL, 1000mL.
- Bình nón 500mL, bình quả nhót 25mL; 100mL, bình định mức 5mL; 10mL; 25mL. Phễu chiết 500mL; 1000mL; ống đong; cốc thủy tinh; phễu thủy tinh; ống nghiệm thủy tinh; pipet Pasteur; vial 1,5mL;10mL;
màng bọc parafilm; giấy nhôm; bông thủy tinh.
Tất cả các dụng cụ thủy tinh đều phải được rửa sạch, tráng bằng nước cất, sau đó tráng bằng metanol và để khô, sấy ở 105oC trong vòng 1 giờ, lấy ra để nguội. Trước khi sử dụng tráng n - hexan và acetone 2 - 3 lần.
b. Thiết bị phân tích các hợp chất PAHs
- Hệ thống sắc ký khí/khối phổ GC/MS 5977B Agilent kết hợp GC 8890 System với giới hạn phát hiện thấp tới 1,5 fg IDL.
- Cột sắc kí: Cột HP - 5MS -UI (30 m × 0,25 mm; 0,25 μm) Agilent.
2.3.2. Hóa chất
Chất chuẩn gốc gồm 16 PAHs của hãng Sigma - Aldrich độ tinh khiết 99,5%; thành phần các hợp chất được liệt kê trong bảng 2.1.
Dung dịch chuẩn làm việc có nồng độ 10µg/mL: chuyển 100µL dung dịch chuẩn gốc vào vial 1,5mL sau đó định mức đến vạch bằng n-hexan. Ký hiệu và bảo quản trong bình kín, tối màu, bọc kín bằng giấy bạc và lưu trữ trong tủ lạnh (khoảng 4 oC, sử dụng trong 6 tháng).
Bảng 2.1. Thông số chất chuẩn gốc PAHs
STT Thành phần Viết tắt Số CAS Nồng độ 1 Naphthalene Naph 91-20-3 100µg/mL 2 Acenaphthylene Acy 208-96-8 100µg/mL 3 Acenaphthene Ace 83-32-9 100µg/mL 4 Fluorene Flu 86-73-7 100µg/mL 5 Phenanthrene Phe 85-01-8 100µg/mL 6 Anthracene Ant 120-12-7 100µg/mL 7 Fluoranthene Fluh 206-44-0 100µg/mL 8 Pyrene Pyr 129-00-0 100µg/mL
STT Thành phần Viết tắt Số CAS Nồng độ 9 Benz[a]anthracene BaA 56-55-3 100µg/mL 10 Chrysene Chr 218-01-9 100µg/mL 11 Benzo[b]fluoranthene BbF 205-99-2 100µg/mL 12 Benzo(k)fluoranthene BkF 207-08-9 100µg/mL 13 Benzo[a]pyrene BaP 50-32-8 100µg/mL 14 Dibenzo(a,h)anthracene DahA 53-70-3 100µg/mL 15 Benzo[ghi]perylene BghiP 191-24-2 100µg/mL 16 Indeno[1,2,3-cd]pyrene IcdP 193-39-5 100µg/mL
- Chất chuẩn đồng hành là chất có tính chất hóa học tương tự như chất cần phân tích nhưng không có mặt trong mẫu phân tích. Chuẩn đồng hành được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng từ nền và từ quá trình xử lý mẫu. Chuẩn đồng hành được thêm vào tất cả các mẫu, mẫu trắng, mẫu thêm chuẩn và mẫu nền (mẫu kiểm soát phòng thí nghiệm). Tên cụ thể của chất chuẩn được chỉ ra trong bảng 2.2.
Từ chuẩn gốc này chuẩn bị dung dịch chuẩn làm việc ở nồng độ 25ppm trong n - hexan hạn sử dụng trong 6 tháng, thêm 10 µL vào mỗi mẫu trước khi chiết.
Bảng 2.2. Thông tin về chất chuẩn đồng hành Z-014J STT Thành phần Số CAS Nồng độ STT Thành phần Số CAS Nồng độ 1 Acenaphthene-d10 15067-26-2 4 mg/mL 2 Chrysene-d12 1719-03-5 4 mg/mL 3 1,4-Dichlorobenzene-d4 3855-82-1 4 mg/mL 4 Naphthalene-d8 1146-65-2 4 mg/mL 5 Perylene-d12 1520-96-3 4 mg/mL 6 Phenanthrene-d10 1517-22-2 4 mg/mL
- Chuẩn p-Terphenyl-d14 nồng độ gốc 500 ppm được pha trong CH2Cl2 của hãng AccuStandard được sử dụng làm chất nội chuẩn. Tất cả các chất chuẩn gốc cũng như chuẩn làm việc được bảo quản trong bình kín, lạnh ở nhiệt độ ≤ 4oC.
Các hóa chất dùng trong tách, chiết mẫu đều là hóa chất tinh khiết như: - Na2SO4 khan và Silicagel đã sấy ở 450oC trong vòng 2 giờ, để nguội và
đặt trong bình desicastor hút ẩm - n-Hexan, Acetone (Merck, Đức). - Khí N2 độ tinh khiết 99,999%.
- Nước cất hai lần thu được từ hệ thống Hamilton. 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4.1. Phương pháp lấy mẫu
Nghiên cứu sử dụng phương pháp hấp thụ khí thụ động bằng cách treo đĩa PUF tại các vị trí thu mẫu. Đĩa bọt polyurethane (PUF) có đường kính 14,0 cm; dày 1,35 cm; diện tích bề mặt 365 cm2 và tỷ trọng là 0,0213 g/cm3. Trước khi mang đi treo, mẫu PUF được làm sạch bằng cách siêu âm trong 30 phút với