CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC, ĐẤT

7. Bố cục của luận án

1.3. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC, ĐẤT

Ngay sau khi Chính phủ Việt Nam phê chuẩn thực thi Công ước Stockholm vào năm 2002, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban hành một số các Quy chuẩn quốc gia về giới hạn nồng độ và hàm lượng các hợp chất POP trong môi trường nước mặt (QCVN 08: 2008/BTNMT [1]), môi trường nước thải công nghiệp (QCVN 24: 2009/BTNMT [4]), trong môi trường đất (QCVN 15: 2008/BTNMT [3] và ngưỡng các chất thải nguy hại trong môi trường (QCVN X: 2009/BTNMT [2], (xem phụ lục 1). 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH POP

Thực tế cho thấy có rất nhiều phương pháp phân tích định tính và định lượng các hợp chất hữu cơ chứa clo, trong đó có POP, đã được đăng tải trong các tạp chí

khoa học chuyên ngành phân tích, xuất bản từ những năm đầu tiên khi loại thuốc diệt côn trùng DDT và HCH với đồng phân γ- HCH (lindan) được đưa vào sử dụng rộng rãi với mục đích diệt chấy-rận. DDT và HCH kỹ thuật đã được sử dụng như một “thần dược” để kiểm soát bệnh ghẻ lở, hắc lào và chấy rận hoành hành khắp châu Âu trong hàng ngũ binh lính trong thời gian chiến tranh thế giới lần thứ nhất. Nhiều hãng hóa chất ở châu Âu như Đức, Bỉ và ở Mỹ đã sản xuất với công suất lớn hai loại hóa chất DDT và HCH. Một yêu cầu thực tế là phải đánh giá chất lượng của các sản phẩm lưu hành trên thị trường vì chỉ có p,p’-DDT và γ- HCH là có tính diệt côn trùng. Các nhà khoa học từ nhiều phòng thí nghiệm ở châu Âu và bắc Mỹ, đã nghiên cứu đưa ra các phương pháp phân tích nhanh nhưng cũng đủ đảm bảo độ chính xác để đánh giá chất lượng các sản phẩm thuốc diệt côn trùng, kiểm soát bệnh dịch ngoài da trong thời gian này mà chủ yếu là DDT, lidane, nhóm “drin”, và clodan mà ngày này được liệt vào danh sách các hợp chất POP. Tất cả các phương pháp phân tích POP có thể được phân thành các nhóm như sau.

 Nhóm phương pháp vật lý: Dựa trên nguyên lý về sự khác biệt điểm nóng chảy (melting point) của từng hợp chất trong hỗn hợp các chất POP. Trong một số tài liệu phương pháp này còn được gọi là phương pháp làm lạnh (cryogenic method).

 Phương pháp so màu: Dựa trên nguyên lý các phản ứng hóa học chuyển hóa POP sang hợp chất có màu, ví dụ: lindan được chuyển hóa thành anilin để sau đó tạo màu theo phản ứng Runge sẽ được mô tả kỹ trong phần sau.

 Nhóm phương pháp hóa học: Dựa trên nguyên lý phản ứng hóa học giữa các POP và dung dịch kiềm giải phóng ion Cl-. Như vậy, xác định hàm lượng POP được chuyển thành xác định hàm lượng ion Cl- di động. Hàm lượng Cl- di động được định lượng bằng chuẩn độ theo phương pháp Volhard hoặc đo độ đục của dung dịch phân tích do sự phân tán của huyền phù AgCl. Clorua bạc được tạo ra sau khi cho dung dịch nitrat bạc vào hỗn hợp POP và kiềm.

 Phương pháp quang phổ: Bao gồm các phương pháp quang hồng ngoại (IR) và tử ngoại (UV) dựa trên nguyên tắc hấp thụ ánh sáng đặc trưng trong vùng hồng ngoại hoặc tử ngoại của các hợp chất POP chứa trong mẫu phân tích.

 Phương pháp cực phổ: Dựa trên nguyên tắc chuyển khối theo cơ chế khuếch tán hoặc đối lưu của mỗi hợp chất POP trong điện trường. Phương pháp cực phổ thông dụng được áp dụng trong phân tích POP, đặc biệt là lindan cũng như hỗn hợp của lindan và DDT là phương pháp volt-ampe (voltammetry). Trong phương pháp này, điện thế (V) giữa điện cực làm việc và điện cực so sánh được tăng dần, gọi là đường cong dòng – thế. Đồng thời cường độ dòng điện trong mạch điện cực làm việc và điện cực bổ trợ (auxilary electrode) sẽ được ghi theo sự thay đổi của điện thế quét. Mỗi hợp chất phân tích sẽ có một giá trị điện thế oxy hóa-khử đặc trưng tương ứng với điện thế quét và tại giá trị hiệu điện thế này sẽ xuất hiện một pic dương hoặc âm của cường độ dòng điện (I) tùy thuộc chất phân tích bị oxy hóa hoặc bị khử. Chiều cao hoặc diện tích pic tỷ lệ với hàm lượng của chất phân tích.

 Các phương pháp sắc ký: Bao gồm sắc ký phân bố, sắc ký khí, sắc ký bản mỏng, sắc ký giấy dựa trên nguyên lý phân bố giữa các pha lỏng-lỏng, lỏng- khí, lỏng-rắn của mỗi hợp chất phân tích.

 Một số phương pháp khác cũng đã được đề cập trong thời gian gần đây như phương pháp pha loãng đồng vị, phương pháp ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay).

Dưới đây sẽ trình bày cụ thể hơn về nguyên lý và các bước tiến hành của từng phương pháp phân tích nêu trên, trừ phương pháp pha loãng đồng vị và ELISA vì chưa có phòng thí nghiệm nào ở Việt Nam triển khai áp dụng để phân tích POP. Trong luận án này, chúng tôi cố gắng phân tích những ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp.

1.4.1. Phân tích POP bằng phương pháp vật lí

Phương pháp vật lí dựa trên sự xác định điểm nóng chảy (phương pháp Toops và Riddick [92]). Phương pháp phân tích các hợp chất POP bằng xác định điểm nóng chảy dựa trên nguyên lý mỗi hợp chất, thậm chí từng đồng phân của một hợp chất có điểm nóng chảy nhất định. Phương pháp này lần đầu tiên được Toops và Riddick [92] áp dụng để định lượng lindan trong hỗn hợp các đồng

phân của HCH kỹ thuật bao gồm một số đồng phân chính là alpha, beta, gamma, delta và epsilon.

Lindan có điểm nóng chảy là 112,86 oC. Như vậy, dựa vào khối lượng HCH nóng chảy tại khoảng 112 ÷ 113oC có thể xác định được phần đồng phân gamma của sản phẩm HCH kỹ thuật, cũng như thành phần của lindan trong các công thức thuốc BVTV lưu hành trên thị trường trong những năm 50 của thế kỷ trước. Theo Toops và Riddick thì độ chính xác của phép định lượng là ± 0,05% mol. Phương pháp được khuyến cáo áp dụng trong phân tích đuổi đối với các sản phẩm thuốc diệt côn trùng chứa lindan. Độ nhạy của phương pháp không thể đáp ứng cho các phân tích định tính cũng như định lượng dư lượng lindan trong môi trường cũng như lương thực, thực phẩm ở mức ppb (10-9 g/g).

1.4.2. Phân tích POP bằng phương pháp pháp hóa học

1.4.2.1. Phương pháp chuẩn độ Volhard [42]

Nguyên tắc của phương pháp là cho POP tác dụng với kiềm sẽ giải phóng ion Cl-. Các nghiên cứu chi tiết phản ứng giữa DDT và lindan với NaOH trong dung dịch etanol cho thấy hàm lượng Cl- giải phóng tương đương theo tỷ lệ 1:1 tương ứng đối với DDT và 1:3 (mole:mole) tương ứng đối với lindan. Như vậy, hàm lượng của DDT hoặc lindan có thể được định lượng dễ dàng trên cơ sở hàm lượng ion Cl- di động. Phương pháp chuẩn độ Volhard trong trường hợp này là xác định nồng độ Ag+ dư sau khi kết tủa với Cl- di động được tạo ra sau khi xử lý DDT hoặc lindan với kiềm trong cồn ethylic bằng chuẩn độ Ag+ ngược với dung dịch NH4(CSN). Điểm tương đương được xác định bằng sự đổi màu của hỗn hợp với chỉ thị là ion Fe3+.

Howard [40] cũng đã áp dụng phương pháp chuẩn độ Volhard để định lượng lindan và DDT trong các mẫu thực phẩm với một số thay đổi. Mẫu không xử lý trực tiếp bằng kiềm vô cơ như NaOH hoặc KOH trong etanol vì theo tác giả kiềm vô cơ luôn có tạp chất là clorua (NaCl hoặc KCl) nên kết quả sẽ cao hơn thực tế. Quy trình bao gồm các bước: chiết mẫu bằng ete rồi xử lý tiếp bằng monoethanol amin để thủy phân lindan và DDT. Hàm lượng Cl- giải phóng được chuẩn độ bằng

phương pháp Volhard hoặc bằng đo độ đục dung dịch sau khi xử lý với bạc nitrat. Độ nhạy xác định lindan, theo tác giả [40] là 14.10-6 g/g còn đối với DDT giá trị này là ba lần thấp hơn. Ngưỡng phát hiện của phương pháp cũng có thể được đánh giá thông qua hằng số phân ly K của muối AgSCN (K = 1,16.10-12).

Phương pháp chuẩn độ theo ion Cl- để định lượng POP, trong đó có DDT và lindan được áp dụng để phân tích thành phần hai hóa chất diệt côn trùng trong các công thức thuốc lưu hành trên thị trường mà không thể áp dụng trong phân tích định tính cũng như định lượng dư lượng trong các thành phần môi trường vì ngưỡng phát hiện của phương pháp này còn cao. Thông thường trong các mẫu môi trường hàm lượng dư lượng tổng các đồng phân DDT và HCH hiện nay dao động trong khoảng vài trăm đến vài chục ppb, tức là khoảng 10 đến 100 lần thấp hơn ngưỡng phát hiện của phương pháp chuẩn độ nêu trên. Phương pháp không chọn lọc cho một đồng phân p,p’- DDT hoặc -HCH vì các đồng phân khác cũng có phản ứng khử clo tương tự.

1.4.2.2. Định lượng lindan bằng đo độ đục –phương pháp Howard [40]

Trong trường hợp hàm lượng DDT/lindan thấp làm cho hàm lượng ion Cl- được giải phóng trong quá trình xử lý kiềm cũng thấp gây sai số lớn trong phép chuẩn độ ngược, khi đó Howard đề nghị dùng phương pháp đo trực tiếp độ đục của dung dịch sau khi xử lý kiềm và cho thêm AgNO3 [40]. Đường chuẩn xác định Cl- bằng phương pháp đo độ đục được xây dựng sử dụng dung dịch chuẩn HCH/DDT tinh khiết. Độ nhạy của phương pháp cũng được đánh giá là tương đương phương pháp chuẩn độ.

1.4.3. Phương pháp so màu định lượng lindan và DDT

 Phương pháp so màu Weber [101]

Phương pháp so màu Weber được áp dụng để định lượng lindan trong hỗn hợp với DDT. Nguyên lý của phương pháp dựa trên các phản ứng khử lindan bằng bột Zn tạo thành benzen, tiếp theo là nitro hóa benzen và chuyển thành anilin, cuối cùng xác định hàm lượng anilin bằng phản ứng tạo màu Runge giữa

anilin và Ca(OCl)2. Hàm lượng anilin tương đương với lindan được xác định qua đường chuẩn.

 Phương pháp Schechter và Hornstein [83]

Schechter và Hornstein cũng đã áp dụng phương pháp so màu để định lượng lindan [83]. Phương pháp Schechter bao gồm hai bước đầu tương tự như phương pháp Weber [101], tức là khử lindan về benzen bằng Zn và nitro hóa benzen trong hỗn hợp axit H2SO4+ HNO3 đặc. Bước tạo màu của phương pháp Schechter là cho nitrobenzen tác dụng với KOH rồi đo mật độ quang (A) ở λ = 565 nm. Phương pháp này đã được các tác giả áp dụng để xác định hàm lượng lindan trong các mô sinh học. Tuy nhiên, theo ý kiến của chính các tác giả thì phương pháp có sai số tương đối lớn mà không rõ nguyên nhân.

1.4.4. Phân tích POP bằng phương pháp phổ IR và UV

1.4.4.1. Phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR) định lượng HCH kỹ thuật [21,102]

Nguyên lý của phương pháp dựa trên sự khác nhau về mức độ hấp thụ ánh sáng vùng hồng ngoại của dung dịch chứa HCH kỹ thuật và các tạp chất của quá trình sản xuất hóa chất. Hàm lượng của hỗn hợp 5 đồng phân alpha, beta, gamma, delta và epsilon cùng heptacloroxyclohexan đã được xác định bằng phổ hồng ngoại, ở dải bước sóng λ = 2 ÷ 25 m. Phổ hấp thụ được ghi nhận trên thiết bị quang phổ hồng ngoại dùng trong nghiên cứu, có độ phân giải cao [43].

Phương pháp được chuẩn hóa bằng cách đo phổ hấp thụ ánh sáng hồng ngoại của hỗn hợp 5 đồng phân HCH ở các bước sóng khác nhau. Trên cơ sở mật độ quang học (A) tại bước sóng ánh sáng hấp thụ của mỗi đồng phân và định luật Beer tính được hàm lượng của từng đồng phân HCH [102] trên cơ sở đường chuẩn là sự phụ thuộc giữa giá trị A và hàm lượng từng đồng phân. Phương pháp được đánh giá là có độ chính xác đảm bảo và có tính thực tiễn cao. Độ chính xác được đánh giá là ± 0,5%. Hình 1.3 trình bày phổ hồng ngoại của ba đồng phân α (hình 1.3a), β (hình 1.3b) và γ- HCH (hình 1.3c) là ba thành phần chính của HCH kỹ thuật, tương ứng là 70%, 5% và 15%.

Hình 1.3a

Hình 1.3b

Hình 1.3c

Hình 1.3. Phổ hồng ngoại pha hơi của đồng phân α (hình 1.3a), β (hình 1.3b) và γ (hình 1.3c) HCH [43]

1.4.4.2. Phương pháp quang phổ tử ngoại(UV) xác định HCH [12,28]

Dư lượng HCH trong mô sinh học và một số mẫu vật khác đã được Davidow và Goeffrey xác định bằng phương pháp phổ tử ngoại [12]. Quy trình phân tích bao gồm chiết Soxhlet mẫu với dung môi ete. Ete được đun sôi với dung dịch KOH 1,5N để chuyển HCH sang 1,2,4-triclorobenzen, chiết triclorobenzen bằng n-hexan và đo mật độ quang học (A) của dung dịch ở các bước sóng 284, 286 và 290 nm. Độ thu hồi được đánh giá đạt từ 83 ÷ 112%. Phương pháp được đánh giá là nhanh, có độ chính xác chấp nhận được. Tuy nhiên, yếu điểm của nó là không đặc trưng cho lindan (là đồng phân duy nhất của HCH có tính diệt trừ côn trùng).

Phương pháp Davidow và Woodward cũng đã được cải tiến để xác định HCH trong sữa [28]. Theo đó, cazein trong sữa được kết tủa bằng axit axetic ở pH = 4,5. Thành phần cazein chứa lipit được được lọc và làm khô bằng cách trộn với Na2SO4 khan rồi nghiền mịn. Mẫu cazein khô được chiết Soxhlet với dung môi ete để tách HCH. Hexacloroxyclohexan trong ete được đun sôi với KOH để chuyển sang 1,2,4- triclorobenzen và sản phẩm này sau đó được làm sạch bằng sắc ký cột nhổi silicagel hoặc florisil. Cuối cùng hàm lượng 1,2,4-triclorobenzen (tương ứng với hàm lượng HCH trong mẫu) được định lượng bằng đo phổ tử ngoại ở các bước sóng 284, 286 và 290 nm, tương tự như [28].

1.4.5. Phân tích POP bằng phương pháp cực phổ POP [24,32]

Phương pháp cực phổ lần đầu tiên được Dragt [24] áp dụng để định lượng lindan trong các mẫu rau và thịt. Phương pháp cực phổ như đã trình bày ở trên dựa trên nguyên lý của phản ứng oxy hóa khử của hợp chất cần phân tích trong điện trường và chuyển khối theo cơ chế khuếch tán hoặc đối lưu của sản phẩm phản ứng đến điện cực tương ứng. Draght sử dụng dung dịch tetrametyl ammoni iodua [(CH3)4NI] 0,1M trong nitrometan làm chất hỗ trợ và điện cực giọt thủy ngân để phân tích HCH. Điện thế quét thay đổi từ - 0,5 đến -2 V. Theo tác giả thì sai số của phương pháp là ± 0,5% và ngưỡng phát hiện ở trong khoảng ppm (10-6 g/g).

Hasselbach và Schwabe [32] đã cải tiến phương pháp Dragt để phân tích hàm lượng hỗn hợp α, β và γ -HCH. Thiết bị cực phổ của Hasselbach là bể điện phân dung tích chỉ 10 ml nhưng có lối vào và lối ra để đuổi khí sinh ra trong quá

trình điện phân. Trong quá trình điện phân không khí được thổi vào dung dịch để cuốn khí hydro phát sinh do quá trình oxy hóa khử. Hasselbach và Schwabe thu được cực phổ đồ có đỉnh dòng điện của α, β và γ -HCH tương ứng là 2,02 V, -2,15 V và 1,61 V.

Ingram và Southern [50] nhận thấy trong hỗn hợp cồn tuyệt đối và dung dịch nước chứa 1% KI và 0,005% gelatin (làm chất giảm đường nền) tỷ lệ 1:1 chỉ có đồng phân γ -HCH có khả năng khử trên điện cực thủy ngân, các đồng phân khác như α, β, δ và  không có khả năng này. Khí O2 hòa tan trong dung dịch được đuổi bằng khí H2 hoặc N2. Các tác giả đã thu nhận được cực phổ đồ của -HCH ở giá trị điện thế từ -1,35 V đến -1,55 V (so với điện cực so sánh colomen bão hòa).

Có thể nhận thấy tất cả các phương pháp phân tích POP bằng chuẩn độ, so màu, quang phổ, cực phổ trình bày ở trên được áp dụng chủ yếu để kiểm soát chất lượng các loại công thức sản phẩm thuốc diệt côn trùng. Các phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, thiết bị phân tích không đắt tiền, do đó hầu như tất cả các phòng thí nghiệm đều có thể tiến hành các phép thử nghiệm chất lượng thuốc BVTV đảm bảo quyền lợi người tiêu dùng. Nhược điểm lớn nhất của nhóm các phương pháp nêu trên là độ nhạy, tức là giới hạn phát hiện (LOD) là quá cao, ở mức 10-6 g/g, không thể đáp ứng yêu cầu phân tích dư lượng các POP trong các thành phần môi trường khi mức hàm lượng chỉ ở mức 10-9, thậm chí 10-12 g/g. Hơn nữa, các phương pháp trình bày ở trên không đặc trưng cho từng đồng phân của hợp chất nghiên cứu, tức là chỉ có thể phân tích tổng số