Trong phân tích các hợp chất hữu cơ nói chung và PCB nói riêng, giai đoạn tách chiết, làm sạch, làm giàu mẫu phân tích luôn đƣợc đề cao, đóng vai trò quyết định và đòi hỏi ngƣời phân tích cần lựa chọn, đƣa ra những phƣơng pháp phù hợp nhất. Các kỹ thuật tách chiết đƣợc phát triển với yêu cầu phải giảm thể tích dung môi chiết, giảm thời gian chiết, cải thiện độ thu hồi chất phân tích và giảm giá thành phân tích mẫu. Hiện nay, một số kỹ thuật đang sử dụng nhƣ: chiết soxlet; chiết siêu âm; chiết vi sóng (MAE); chiết siêu tới hạn (SFE); chiết dung môi liên tục (ASE); chiết pha rắn (SPE); chiết lỏng-lỏng (LLE)... [4]. Mẫu sau khi chiết đƣợc làm sạch và tách phân đoạn trên các cột hấp phụ dạng thƣơng phẩm hoặc cột nhồi nhƣ florisil, silicagel, than hoạt tính, nhôm ôxít. Tùy thuộc vào loại và lƣợng mẫu khác nhau mà lựa chọn các kỹ thuật chiết, làm sạch mẫu cho phù hợp và hiệu quả.
1.5.1. Phương pháp tách chiết, làm giàu PCB trong mẫu đất, trầm tích
Để phân tích lƣợng vết PCB trong mẫu đất, trầm tích ngƣời ta thƣờng sử dụng những quy trình xử lý mẫu gồm nhiều bƣớc tách chiết, làm sạch, làm giàu mẫu. Hiện nay, một số phƣơng pháp tách chiết thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ: chiết siêu âm với hỗn hợp dung môi n-hexan:axeton; chiết siêu tới hạn (SFE) bằng CO2 ở nhiệt độ cao và áp suất cao; chiết vi sóng (MAE) bằng dung môi thích hợp; chiết soxlet với dung môi n-hexan, toluen [14], [29], [30], [31]. Phƣơng pháp chiết soxlet đƣợc sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm phân tích POPs trên thế giới do hiệu suất thu hồi cao, có độ ổn định lớn, giá chi phí trang bị dụng cụ hợp lý; Tuy nhiên thời gian chiết kéo dài từ 6 đến 24 giờ tùy thuộc vào đối tƣợng mẫu và độ phân cực của dung môi chiết.
Trong nghiên cứu phân tích các WHO-PCB trong mẫu môi trƣờng của tác giả S.K.Shin [38]. Hiệu suất thu hồi trung bình khi làm sạch trên cột silicagel là 50% (rửa giải bằng 100ml n-hexan); với cột florisin là 69,7% (bằng 100ml ete : n- hexan 6:94); cột ôxít nhôm là 62,5% (rửa giải bằng 100ml n-hexan: DCM 98:2)
17 Thorsten [36] đã nghiên cứu so sánh hiệu quả chiết PCB giữa hai phƣơng pháp chiết soxlet và chiết dung môi liên tục (ASE). Kết quả cho thấy không có sự khác biệt nhiều giữa hai phƣơng pháp trên. Với phƣơng pháp ASE, nồng độ các WHO-TEQ trung bình là 0,75 pg/g, giá trị RSD là 13,3%. Trong khi phƣơng pháp chiết soxlet nồng độ các WHO-TEQ trung bình là 0,83 pg/g, giá trị RSD là 8,7 %.
L.Monila [27] đã ứng dụng than hoạt tính để tách PCB không có clo ở nhóm thế ortho trong dịch chiết các mẫu đất, trầm tích và cặn lắng. Mẫu trên cột than rửa giải bằng 20 ml hexan:toluen (99:1) để giải hấp các PCB có một nhóm thế ở vị trí ortho; sử dụng tiếp 20 ml toluen để giải hấp các PCB không nhóm thế ở vị trí ortho. Hiệu suất thu hồi PCB từ 71 đến 113%; độ lệch chuẩn tƣơng đối từ 2,1 đến 10%.
Nhóm tác giả trung tâm CETASD [1] đã nghiên cứu khảo sát làm sạch, tách phân đoạn PCB trong mẫu trầm tích trên cột silicagel. Hiệu suất thu hồi trung bình các đồng loại PCB từ 84 đến 122% .
1.5.2. Phương pháp tách chiết, làm giàu PCB trong mẫu nước
Thông thƣờng, để tách chiết hợp chất PCB ra khỏi mẫu nƣớc ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp chiết lỏng - lỏng dựa trên sự phân bố khác nhau của các chất tan vào hai pha không trộn lẫn, từ đó tách chất phân tích ra khỏi nền. Các dung môi đƣợc chọn cho quá trình chiết thƣờng là n-hexan, diclometan [39]. Do tính phân cực kém nên nồng độ của các chất PCB trong nƣớc khá nhỏ, để đảm bảo phân tích đƣợc trên máy cần phải làm giàu mẫu nhiều lần khiến quy trình chiết khá phức tạp.
Trên thực tế, mẫu thật có nồng độ PCB quá nhỏ, để đảm bảo phát hiện đƣợc trên thiết bị phân tích cần tăng thể tích mẫu chiết ban đầu lên cỡ từ vài chục đến vài trăm lít. Tuy nhiên, không phải khi nào cũng đảm bảo đƣợc việc lấy mẫu với lƣợng lớn nhƣ vậy, nên ngƣời ta còn sử dụng phƣơng pháp chiết pha rắn (SPE) bằng cách cho một lƣợng nƣớc lớn đi qua các cột đã nhồi các chất hấp phụ (ODS-5, XAD, C- 18, NH2 ,..), sau đó rửa giải bằng dung môi thích hợp nhƣ n-hexan để tách các phân đoạn chứa PCB. Phƣơng pháp SPE có ƣu điểm tiết kiệm đƣợc dung môi và thời gian chiết mẫu nhƣng với mẫu nƣớc thải có nền mẫu phức tạp, khi nạp mẫu có thể
18 tích lớn thì cột SPE dễ bị tắc, làm giảm khả năng hấp phụ và hiệu suất thu hồi chất phân tích của quy trình, gây kéo dài thời gian chiết và đòi hỏi quy trình lọc mẫu sơ bộ trƣớc khi chiết rất phức tạp [31], [36].
Theo [13], nhóm nghiên cứu đã phát triển quy trình chiết SPE cho phân tích PCB trong mẫu nƣớc qua gần 20 công đoạn lọc, rửa, làm sạch cột chiết và mẫu. Hiệu suất thu hồi trung bình của phƣơng pháp 96,0%, giá trị RSD là 6%.
1.6. Các phƣơng pháp phân tích PCB
Do PCB có nhiều chất đồng loại, hàm lƣợng của chúng trong các mẫu môi trƣờng lại vô cùng nhỏ, cỡ ppt đến ppb, đòi hỏi phƣơng pháp phân tích phải đảm bảo đƣợc hai chức năng là tách riêng rẽ và nhận biết đƣợc lƣợng vết của chúng. Đồng thời giới hạn phát hiện của phƣơng pháp phải đạt tới nồng độ phù hợp ứng với mức cho phép của PCB trong các mẫu khác nhau.
1.6.1. Phương pháp phân tích nhanh
Các phƣơng pháp phân tích nhanh có ƣu điểm là giá thành rẻ, dễ sử dụng, thời gian phân tích nhanh, linh hoạt sử dụng ngoài hiện trƣờng. Nhƣng có nhƣợc điểm là kết quả phân tích có độ chính xác không cao, chỉ là phƣơng pháp bán định lƣợng. Chúng đƣợc áp dụng để phân tích PCB trong dầu biến thế [3], [8].
1.6.1.1. Phương pháp thử tỉ trọng
Nguyên tắc của phƣơng pháp dựa vào tỷ trọng của dầu khi cho tiếp xúc với nƣớc bằng cách sử dụng ống nghiệm chia vạch có thể tích 10ml. Thêm vào một ít nƣớc cất rồi thêm mẫu dầu cần thử vào. Nếu dầu chìm xuống dƣới đáy (tỉ trọng của dầu > 1 g/ml) thì có thể dự đoán hàm lƣợng PCB là tƣơng đối cao. Nếu dầu nổi trên nƣớc (tỉ trọng của dầu < 1 g/ml) thì có thể dự đoán dầu không chứa hoặc chứa một lƣợng không đáng kể PCB.
1.6.1.2. Phương pháp thử màu ngọn lửa
Nguyên tắc của phƣơng pháp là dựa vào màu sắc của ngọn lửa để định tính sự có mặt của PCB. Cách tiến hành: sử dụng một sợi dây đồng sạch nhúng vào mẫu dầu biến thế cần phân tích rồi đem đốt. Nếu trong mẫu có PCB thì clo trong PCB sẽ
19 nhuốm màu ngọn lửa thành màu xanh.
1.6.1.3. Phương pháp dùng bộ thử nhanh
Các bộ thử đƣợc sử dụng ngoài hiện trƣờng phân tích nhanh hàm lƣợng clo với điều kiện trong mẫu không có nguồn hữu cơ nào khác ngoài PCB. Thông qua các bƣớc: xử lí mẫu, chuyển đổi clo hữu cơ sang clo vô cơ rồi định lƣợng clo vô cơ thì ta có thể xác định PCB theo phƣơng pháp tiêu chuẩn sẵn có.
1.6.2. Phương pháp sắc kí khí
1.6.2.1. Phương pháp sắc kí khí detectơ cộng kết điện tử (GC/ECD)
Detectơ ECD hoạt động dựa trên đặc tính của chất phân tích, có khả năng cộng kết các điện tử tự do trong pha khí có độ nhạy rất cao đối với các chất ái điện tử, giới hạn phát hiện có thể đạt tới ppt. Trong các hợp chất PCB, do có các liên kết đôi liên hợp của vòng benzen –C=C-C= và có chứa các nguyên tử clo ái điện tử nên khả năng bắt điện tử khá cao [10], [15].
Trong [4], tác giả đã khảo sát hiệu suất chiết PCB từ mẫu nƣớc bằng kỹ thuật chiết pha rắn, chiết lỏng-lỏng; kỹ thuật chiết soxlet và chiết siêu âm để chiết PCB từ đất và tiến hành phân tích trên GC/ECD. Nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất thu hồi khi chiết soxlet cao hơn so với chiết siêu âm. Với mẫu nƣớc hiệu suất chiết lỏng- lỏng tƣơng đƣơng chiết pha rắn. Đặc biệt khi tiến hành chiết siêu âm thì PCB 52 bị phân hủy hoàn toàn. Giới hạn phát hiện phƣơng pháp cỡ ppb.
W.John [42] đã chiết PCB từ mẫu nƣớc bằng dung môi diclometan và phân tích tổng PCB trong mẫu trên thiết bị GC/ECD sử dụng cột mao quản DB-5. Khoảng tuyến tính của đƣờng chuẩn từ 0,2 đến 10 ppb, giới hạn phát hiện là 0,1 ppt.
1.6.2.2. Phương pháp sắc kí khí - khối phổ (GC/MS)
Trên thế giới, sắc kí khí - khối phổ đã trở thành phƣơng pháp tiêu chuẩn và đóng vai trò quan trọng trong tách và phân tích các chất trong các lĩnh vực khác nhau. Ở Việt Nam, phƣơng pháp sắc kí khí - khối phổ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều phòng thí nghiệm và trở thành công cụ đắc lực trong phân tích lƣợng vết các hợp chất cơ clo trong đối tƣợng mẫu môi trƣờng.
20
Một số kết quả nghiên cứu về PCB bằng phương pháp GC/MS.
Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Hải dƣơng học, Sidney, BC, Canada [44] đã khảo sát trên 6 cột mao quản (DB5, BPX-5, HP-5, DB-225, CP-Sil-19CB, CP-Sil- 5/C18) để phân tích 209 đồng loại của PCB bằng phƣơng pháp sắc kí khí-khối phổ phân giải cao và kết luận rằng cột DB5 cho khả năng tách tối ƣu nhất.
Jet Focant và cộng sự [25] đã phân tích các PCB đồng phẳng trên GC/MS trong mẫu thực phẩm khi sử dụng thiết bị chiết ASE200TM, làm sạch và tách phân đoạn trên cột nhôm, cột than hoạt tính. Hiệu suất thu hồi trong khoảng từ 60 đến 95%, giới hạn phát hiện của phƣơng pháp là 5 pg/g.
Theo [45], nhóm nghiên cứu sử dụng cột than AX21 để tách các PCB không có nhóm thế clo vị trí ortho trong mẫu cá, động vật biển và sử dụng các mảnh ion m/z: 290, 292 để định lƣợng PCB 77, ion m/z 326 định lƣợng PCB 126, ion m/z 360, 362 định lƣợng PCB 169 trên thiết bị GC/MS.
Tukami [39] phân tích PCB trong dầu biến thế trên thiết bị HRGC/MS. Sử dụng cột DB-5MS với chƣơng trình nhiệt độ 150oC (giữ 1 phút), tăng 20oC/ phút đến 185oC, tăng 2 oC/phút đến 245oC và giữ trong 3 phút, tăng 6 oC/ phút đến 290oC. Giới hạn phát hiện trong mẫu là 0,1 ng/g.
Tùy thuộc vào yêu cầu nồng độ, có nhiều phƣơng pháp đƣợc sử dụng trong phân tích PCB nhƣng phƣơng pháp sắc kí khí-khối phổ vẫn chiếm ƣu thế, có tới 80% số lƣợng các phân tích hiện nay đƣợc thực hiện trên sắc kí khí-khối phổ [15].
21
CHƢƠNG II. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu
Tổng kết những nghiên cứu về độc tính của PCB cho thấy hầu hết các ảnh hƣởng độc hại đều gắn liền với sự tích tụ của một số đồng loại PCB đặc biệt (có và không có nhóm thế clo ở vị trí ortho). Vì vậy, việc lựa chọn phạm vi phân tích tập trung vào một số đồng loại có độc tính cao là rất cần thiết và hợp lý.
Trong đề tài này, đối tƣợng phân tích mà chúng tôi chọn để nghiên cứu là các mẫu đất, trầm tích, nƣớc.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu phân tích 12 chất đồng loại WHO-PCB trong các đối tƣợng nêu trên bằng phƣơng pháp sắc kí khí-khối phổ (GC/MS).
2.1.2. Nội dung nghiên cứu
Tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
Tối ưu các điều kiện phân tích 12 đồng loại WHO-PCB trên thiết bị GC/MS.
- Khảo sát trên các cột mao quản. - Chọn chƣơng trình nhiệt độ.
Khảo sát và xây dựng qui trình tách chiết, làm sạch, làm giàu 12 WHO- PCB trong các mẫu đất, trầm tích, nước.
- Khảo sát dung môi chiết mẫu nƣớc, mẫu đất, trầm tích.
- Khảo sát quy trình làm sạch, làm giàu mẫu trên các cột hấp phụ Điều kiện định lượng
- Khảo sát khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện và giới hạn định lƣợng
- Đánh giá độ đúng, độ lặp của phƣơng pháp thông qua việc phân tích các mẫu trắng, mẫu thêm.
Phân tích một số mẫu thực, đánh giá khả năng áp dụng của phương pháp.
- Phân tích mẫu đất, trầm tích
22
2.2. Hóa chất, chất chuẩn, dụng cụ và thiết bị
2.2.1. Hóa chất
Toàn bộ hoá chất dùng làm thực nghiệm của hãng Prolabo, Merck, Supelco, Sigma độ tinh khiết chuyên dùng cho GC/MS.
n-hexan (C6H14);
Diclometan (CH2Cl2);
Toluen (C6H5CH3);
Axit sunfuric tỷ trọng 1,83 g/ml (H2SO4 96 - 98%);
Natri sunfat hạt (Na2SO4): làm sạch bằng chiết soxlet với diclometan trong 2 giờ, sau đó nung ở 400ºC trong 4 giờ.
Kali hydroxit hạt (KOH);
Nhôm ôxít trung tính (Al2O3): kích thƣớc hạt 50 - 160 µm, chiết soxlet với Diclometan trong 8 giờ, sau đó đem hoạt hóa ở 600ºC trong 20 giờ. Nếu sau khi nung, Al2O3 có màu xám nhạt phải bỏ đi.
Silicagel: kích thƣớc hạt 100-200 mesh, chiết soxlet với Diclometan trong 8 giờ, hoạt hóa trong chai thủy tinh ở 140ºC trong 24 giờ.
Silicagel tẩm KOH 20% (w/w): chuẩn bị hỗn hợp silicagel đã hoạt hóa ở trên để tẩm KOH 20% (w/w), lƣu giữ trong chai thủy tinh màu nâu, có nút xoáy.
Silicagel tẩm H2SO4 40% (w/w): chuẩn bị hỗn hợp silicagel đã hoạt hóa ở trên để tẩm H2SO4 40% (w/w), lƣu giữ trong chai thủy tinh màu nâu, có nút xoáy.
He 99,999% dùng làm khí mang cho GC/MS
Giấy lọc Whatman; Bông thủy tinh
2.2.2. Chất chuẩn
Toàn bộ chất chuẩn của hãng Cambridge Isotope Laboratories. Inc, Wellington Laboratoies, có nồng độ đƣợc kê chi tiết trong bảng A-1, A-2, A-3 phần phụ lục.
2.2.3. Dụng cụ, thiết bị chuẩn bị mẫu
23
Cân kỹ thuật Shimazu BL620 (độ chính xác 10-2g);
Máy khuấy đồng thể IKA T25 Basic 8.000-24.000 vòng/ phút;
Bếp chiết Sohxlet Electrothermal Intermed;
Máy cất quay chân không đồng bộ Buchi;
Máy đồng nhất Vortex;
Bể siêu âm Branson;
Thiết bị cô mẫu bằng nhiệt;
Dụng cụ thuỷ tinh: bình tam giác, phễu lọc, phễu chiết các loại của hãng Schott Duran, Hamilton. Sau mỗi lần sử dụng đƣợc rửa với nƣớc tẩy rửa, tráng nhiều lần bằng nƣớc cất, tráng lại bằng axeton và sấy trong tủ sấy ở 150oC trong ít nhất 2 giờ.
Dụng cụ đo thể tích: Bình định mức, pipet, xilanh, ống đong chia vạch.
2.2.4. Thiết bị phân tích mẫu
Sắc kí khí phân giải cao ghép nối khối phổ phân giải thấp GC6890/ MSD5972A Hewlett Packard, USA. Thiết bị GC/MS gắn với máy vi tính có chƣơng trình xử lý số liệu tự động và thƣ viện phổ - cấu trúc của nhiều hợp chất. Cột sắc ký DB-5MS, BPX-DXN (chiều dài 60m, đƣờng kính trong 0,32mm, độ dày pha tĩnh 0,25m).
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp tách chiết và làm giàu PCB
Trong phân tích các hợp chất hữu cơ nói chung và PCB nói riêng, giai đoạn tách chiết, làm sạch, làm giàu mẫu phân tích luôn đƣợc đề cao, đóng vai trò quyết định và đòi hỏi ngƣời phân tích cần lựa chọn, đƣa ra những phƣơng pháp phù hợp nhất. Có nhiều cách để tách chiết các hợp chất PCB ra khỏi nền mẫu môi trƣờng. Hiện nay, một số kỹ thuật đang sử dụng chiết soxlet; chiết siêu âm; chiết vi sóng (MAE); chiết siêu tới hạn (SFE); chiết dung môi liên tục (ASE); chiết lỏng-lỏng (LLE)... Mẫu sau khi chiết đƣợc làm sạch và tách phân đoạn trên các cột hấp phụ
24 dạng thƣơng phẩm hoặc cột nhồi nhƣ florisil, silicagel, than hoạt tính, nhôm ôxít. Tùy thuộc vào loại và lƣợng mẫu khác nhau mà lựa chọn các kỹ thuật chiết, làm sạch mẫu cho phù hợp và hiệu quả.
Phương pháp tách chiết, làm giàu PCB trong mẫu đất, trầm tích
Chiết soxlet đƣợc sử dụng để tách lƣợng vết các đồng loại PCB trong nền mẫu đất, trầm tích. Sử dụng 100 - 200 ml các dung môi n-hexan, toluen để chiết PCB trong 10 - 100 g mẫu đất, trầm tích. Dung môi chiết đƣợc làm bay hơi, ngƣng tụ, lọc