Luận văn Nghiên cứu sàng lọc các thuốc bảo vệ thực vật trong mẫu nước tưới và mẫu rau trên thiết bị sắc kí lỏng khối phổ phân giải cao (LC/HRMS)

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu sàng lọc các thuốc bảo vệ thực vật trong mẫu nước tưới và mẫu rau trên thiết bị sắc kí lỏng khối phổ phân giải cao (LC/HRMS)

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------***------------ LÊ MINH THÙY NGHIÊN CỨU SÀNG LỌC CÁC THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TRONG MẪU NƯỚC TƯỚI VÀ MẪU RAU TRÊN THIẾT BỊ SẮC KÍ LỎNG KHỐI PHỔ PHÂN GIẢI CAO (LC/HRMS) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------***------------ LÊ MINH THÙY NGHIÊN CỨU SÀNG LỌC CÁC THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TRONG MẪU NƯỚC TƯỚI VÀ MẪU RAU TRÊN THIẾT BỊ SẮC KÍ LỎNG KHỐI PHỔ PHÂN GIẢI CAO (LC/HRMS) Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ Mã số: 8440112.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trần Mạnh Trí TS. Vũ Đức Nam Hà Nội - 2019
3. LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 104.04-2018.331. Lời đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Trần Mạnh Trí- Giảng viên Khoa Hóa học- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, TS. Vũ Đức Nam- Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã gợi ý đề tài, tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn. Em cũng trân trọng cảm ơn TS. Chu Đình Bính- Viện Kỹ thuật Hóa học- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong thời gian thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo giảng dạy tại Khoa Hóa học- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Hóa Hữu cơ cũng như bộ môn Hóa Phân tích đã giúp em tiếp cận những kiến thức quý báu, tạo nền tảng cho em được học tập và nghiên cứu trong môi trường hiện đại. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi được học tập và hoàn thành đề tài này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ, chia sẻ cùng tôi. Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2019 Học viên Lê Minh Thùy
4. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... MỤC LỤC ........................................................................................................................ DANH MỤC VIẾT TẮT .................................................................................................. DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ........................................................................................... 2 1.1. Tổng quan về hóa chất bảo vệ thực vật ................................................................ 2 1.1.1. Giới thiệu chung về hóa chất bảo vệ thực vật ............................................... 2 1.1.2. Các dạng hóa chất bảo vệ thực vật được sản xuất trên thị trường ................. 3 1.1.3. Phân loại hóa chất bảo vệ thực vật ................................................................ 3 1.1.3.1. Nhóm cơ clo (Clo hữu cơ) ...................................................................... 4 1.1.3.2. Nhóm cơ phốt pho (Lân hữu cơ) ............................................................ 4 1.1.3.3. Nhóm cơ nito .......................................................................................... 4 1.1.3.4. Nhóm pyrethroid (họ cúc tổng hợp) ....................................................... 4 1.1.4. Ảnh hưởng của hóa chất bảo vệ thực vật ...................................................... 5 1.4.1.1. Ảnh hưởng đến môi trường ............................................................................... 5 1.1.4.2. Ảnh hưởng tới con người và động vật ............................................................... 6 1.1.5. Thực trạng và tình hình kiểm soát thuốc BVTV ở Việt Nam ....................... 7 1.2. Tổng quan về phương pháp phân tích dư lượng thuốc BVTV trong mẫu rau và mẫu nước ...................................................................................................................... 10 1.2.1. Phương pháp phân tích sắc ký ..................................................................... 10 1.2.2. Phương pháp xử lý mẫu trong phân tích hóa chất BVTV ........................... 14 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM ................................................................................... 17 2.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất, chất chuẩn ................................................................. 17 2.1.1. Thiết bị ................................................................................................................ 17 2.1.2. Dụng cụ ............................................................................................................... 17 2.1.3. Hóa chất .............................................................................................................. 17 2.1.4. Chất chuẩn và chuẩn bị dung dịch chuẩn ........................................................... 17 2.2. Đối tượng phân tích ............................................................................................... 20 2.3. Thu thập và bảo quản mẫu ..................................................................................... 20 2.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 23
5. 2.4.1. Phương pháp phân tích đồng thời đa nhóm dư lượng hóa chất BVTV trên thiết bị LC-HRMS ........................................................................................................ 23 2.4.2. Nghiên cứu quy trình xử lý mẫu ......................................................................... 23 2.4.3. Phân tích mẫu thực ...................................................................................... 24 2.5. Thực nghiệm .......................................................................................................... 24 2.5.1. Phân tích trên thiết bị UPLC- Orbitrap MS ........................................................ 24 2.5.1.1. Chương trình sắc ký......................................................................................... 24 2.5.1 .2. Điều kiện phân tích khối phổ Orbitrap MS .................................................... 25 2.5.2. Xử lý mẫu .................................................................................................... 26 2.5.2.1. Mẫu nước ......................................................................................................... 26 2.5.2.2. Mẫu rau ............................................................................................................ 27 2.5.3. Ảnh hưởng của nền mẫu trong phân tích LC-Orbitrap MS đối với mẫu rau ..... 29 2.5.4. Độ chính xác khối và cơ chế phân mảnh .................................................... 31 2.5.5. Đánh giá độ ổn định của tín hiệu phân tích và kiểm soát chất lượng ................. 31 2.5.6. Xử lý số liệu ....................................................................................................... 32 2.5.7. Phân tích mẫu thực ............................................................................................. 32 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 33 3.1. Tối ưu hóa điều kiện sắc ký ................................................................................... 33 3.2. Tối ưu hóa điều kiện khối phổ Orbitrap và Độ chính xác khối .......................... 38 3.3. Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp phân tích ........................................... 44 3.3.1. Độ ổn định của tín hiệu phân tích ....................................................................... 44 3.3.2. Khoảng tuyến tính ....................................................................................... 45 3.3.3. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp ............................ 48 3.3.4. Hiệu suất của quá trình chiết .............................................................................. 49 3.4. Kết quả phân tích mẫu thực ................................................................................... 52 3.4.1. Mẫu nước ..................................................................................................... 52 3.4.2. Mẫu rau ............................................................................................................... 55 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN .......................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 58 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ..................
6. DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ACN Acetonitrile Acetonitrile Lượng ăn vào hàng ngày chấp nhận ADI Acceptable daily intake được APCI Atmospheric pressure ionization Ion hóa tại áp suất khí quyển BVTV Bảo vệ thực vật Bộ Nông nghiệp và phát triển nông BNNPTNT thôn BYT Bộ Y tế C Concentration Nồng độ CI Chemical impact Tương tác hóa học CRM Certificated reference Material Mẫu đối chứng được chứng nhận CTPT Công thức phân tử DCM Dichlormethane Dichlormethane EI Electron ionization Ion hóa va chạm điện tử EN European Nations Liên minh Châu Âu ESI Electrospray ionization Ion hóa va chạm điện tử EtOH Ethanol Ethanol EU European union Hội đồng Châu Âu FA Formic acid Axit formic Tổ chức Nông nghiệp và lương FAO Found agriculture organization thực Liên hợp quốc Độ rộng lớn nhất tại ½ chiều cao FWHM Full width at half maximum pic GC-MS Gas chromatography- mass spectrometry Sắc ký khí ghép nối khối phổ Ultrahigh performance liquid Sắc ký lỏng (siêu hiệu năng cao) (UP)LC-(HR)MS chromatography- high resolution mass ghép nối khối phổ (phân giải cao) spectrometry Giới hạn phát hiện của phương MDL Method of detection limit pháp MeOH Methanol Methanol ME Matrix effect Ảnh hưởng của nền mẫu Giới hạn định lượng của phương MQL Method of quantification limit pháp MRL Method of residue limit Dư lượng tối đa m/z Mass per Tỷ lệ giữa khối lượng và điện tích
7. Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt OPs- Organophosphorus groups Nhóm cơ photpho (Lân hữu cơ) ppb Part per billion Nồng độ/hàm lượng phần tỉ ppm Part per million Nồng độ/hàm lượng phần triệu Hiệu suất toàn bộ quá trình xử lý R Recovery mẫu RE Recovery extraction Hiệu suất chiết mẫu RF Fluorescence detector Đầu dò huỳnh quang RSD Relative standard deviation Độ lệch chuẩn tương đối RT Retention time Thời gian lưu SD Standard deviation Độ lệch chuẩn SE Solvent extraction Chiết dung môi Spic Diện tích pic SPE Solid phase extraction Chiết pha rắn TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TLTK Tài liệu tham khảo V Volume Thể tích WHO World health organization Tổ chức Y tế thế giới
8. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Quy định của Việt Nam về ngưỡng cho phép của hoạt chất BVTV ............. 9 Bảng 1. 2. Phương pháp phân tích đa nhóm dư lượng thuốc BVTV ........................... 12 Bảng 2. 1. Danh mục 53 hoạt chất BVTV phân tích trên thiết bị LC- Orbitrap MS ... 18 Bảng 2. 2. Chuẩn bị các dung dịch chuẩn làm việc ...................................................... 19 Bảng 2. 3. Chuẩn bị các dung dịch chuẩn làm việc có nội chuẩn ................................ 20 Bảng 2. 4. Thông tin mẫu nước mặt phân tích trong luận văn ..................................... 20 Bảng 2. 5. Các mẫu rau phân tích trong luận văn......................................................... 22 Bảng 2. 6. Chương trình gradient pha động ................................................................. 25 Bảng 3. 1. Thời gian lưu của chất phân tích trong dung dịch chuẩn và nền mẫu ........ 36 Bảng 3. 2. Độ chính xác khối của các chất phân tích trong dung dịch chuẩn và trong nền mẫu ............................................................................................................................... 40 Bảng 3. 3. Thông tin về phân mảnh của các chất phân tích ......................................... 42 Bảng 3. 4. Độ lệch chuẩn tương đối của tín hiệu phân tích khi phân tích lặp lại liên tục trong ngày và ở điều kiện nhiệt độ khác nhau .............................................................. 44 Bảng 3. 5. Phương trình đường chuẩn của các chất phân tích ..................................... 46 Bảng 3. 6. MDL và MQL của phương pháp phân tích ................................................. 48 Bảng 3. 7. ME, RE, R (%) của quá trình chiết mẫu ..................................................... 50 Bảng 3. 8. Kết quả phân tích mẫu nước mặt tại 5 khu vực .......................................... 52
9. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Hóa chất Bảo vệ thực vật ............................................................................... 2 Hình 1. 2. Chu trình phát tán của hóa chất BVTV trong hệ sinh thái nông nghiệp ....... 5 Hình 1. 3. Sơ đồ thiết bị sắc ký lỏng khối phổ phân giải cao ....................................... 13 Hình 1. 4. Cấu trúc Orbitrap MS .................................................................................. 14 Hình 2. 1. Vị trí lấy mẫu nước tưới .............................................................................. 21 Hình 2. 2. Điều kiện nhận biết chất bằng khối phổ phân giải cao Orbitrap MS .......... 26 Hình 2. 3. Quy trình xử lý mẫu nước ........................................................................... 27 Hình 2. 4. Quy trình xử lý mẫu rau .............................................................................. 29 Hình 2. 5 Thiết kế thí nghiệm đánh giá độ thu hồi, ảnh hưởng của nền mẫu và độ thu hồi toàn bộ quá trình xử lý mẫu rau.............................................................................. 30 Hình 3. 1. Sắc đồ tổng phân tách đồng thời đa nhóm 53 hoạt chất BVTV trên các cột pha đảo khác nhau: (a) cột PFP Hypersil GOLD, (b) cột Hypersil ODS, (c) cột HyperClone ................................................................................................................... 34 Hình 3. 2. Cấu tạo của pha tĩnh PFP ............................................................................. 34 Hình 3. 3. Sắc đồ 3 chất phân tích trong dung môi và nền mẫu rau (a) (đợt 1), trong dung môi và nền mẫu nước (b) (đợt 2) ......................................................................... 36 Hình 3. 4. Phân mảnh của Carbaryl (phân tích trên chế độ FullMS-confirmation) ..... 39 Hình 3. 5. Độ ổn định của 3 chất chuẩn đồng hành trong dung dịch chuẩn và trong mẫu nước .............................................................................................................................. 45 Hình 3. 6. Hàm lượng hoạt chất BVTV phát hiện trong mẫu nước ............................. 54 Hình 3.7. Sự phân bố một số hoạt chất BVTV trong các mẫu nước mặt ở 5 làng rau trên địa bàn Hà Nội .............................................................................................................. 55 Hình 3. 8. Sắc đồ mẫu rau cải cúc (a) và rau xà lách (b) .............................................. 56
10. MỞ ĐẦU Hóa chất bảo vệ thực vật được coi là một công cụ quan trọng trong việc bảo vệ mùa màng, giữ vững an ninh lương thực đối với quốc gia phát triển nền sản xuất kinh tế nông nghiệp chủ yếu như Việt Nam. Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, sử dụng các hóa chất này đã có nhiều sự thay đổi mạnh mẽ, nhiều hoạt chất mới có phương thức tác động khác trước, hiệu lực cao, liều lượng thấp với dịch hại ra đời. Tuy nhiên, việc lạm dụng, thiếu kiểm soát và sử dụng các hóa chất sai quy trình đã để lại nhiều hậu quả nghiêm trọng như: phá vỡ cân bằng hệ sinh thái đồng ruộng, gây ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm môi trường sống, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của không chỉ người tiêu dùng mà còn tới chính những người trực tiếp tham gia sản xuất. Thực tế, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu, tài liệu khoa học, báo cáo công bố về phân tích hóa chất bảo vệ thực vât. Tuy nhiên, đa phần đều nghiên cứu thực nghiệm trên từng nhóm hóa chất riêng biệt như cơ clo, cơ photpho, carbamate đối với thiết bị sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng chứ chưa có nhiều công bố về phân tích đồng thời đa nhóm dư lượng các hoạt chất này trên hệ thống sắc ký lỏng. Mặt khác, ở Việt Nam, còn rất nhiều các hoạt chất bảo vệ thực vật chưa được quy định về việc sử dụng hay ngưỡng cho phép có mặt trong môi trường, nông sản hay trong thực phẩm. Việc nghiên cứu phát hiện dư lượng các hóa chất bảo vệ thực vật tồn dư trong môi trường và thực phẩm giúp cho người tiêu dùng bảo vệ được sức khỏe của mình trước ma trận thực phẩm không an toàn. Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết của xã hội, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu sàng lọc các thuốc bảo vệ thực vật trong mẫu nước tưới và mẫu rau trên thiết bị sắc ký lỏng khối phổ phân giải cao LC/HRMS”. Mục đích của đề tài này là nghiên cứu xây dựng một quy trình phân tích phù hợp để xác định đồng thời nhiều nhóm thuốc trừ sâu khác nhau trên thiết bị LC/HRMS hiện có, đồng thời đánh giá các yếu tố ảnh hưởng của thiết bị và nền mẫu tới hiệu suất thu hồi của quá trình phân tích. Từ đó, áp dụng quy trình phân tích đã được xây dựng để xác định được nhiều nhóm thuốc trừ sâu khác nhau trong các mẫu môi trường và thực phẩm (nước và rau). 1