Cập nhật lần cuối vào 06/04/2023
1. Mở đầu
Theo thống kê của Tổ chức y tế thế giới, mỗi năm con người đã sử dụng hàng chục triệu tấn thuốc bảo vệ thực vật các loại bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm, diệt cỏ…, ngoài một phần thuốc có tác dụng diệt trừ các loài gây hại mùa màng, phần lớn khối lượng thuốc còn lại được đưa vào môi trường. Sự hiện diện và tồn lưu thuốc bảo vệ thực vật trong môi trường nước, đất, cây cỏ… đã làm ngộ độc, gây chết cho nhiều loài động vật. Thuốc bảo vệ thực vật ảnh hưởng trực tiếp đến con người: gây ngộ độc mãn tính, ngộ độc cấp tính dẫn đến tử vong hoặc làm biến đổi gen gây nên các bệnh về di truyền ảnh hưởng đến nhiều thế hệ sau. Do tác hại to lớn này trong nhiều năm trở lại đây vấn đề ô nhiễm thuốc bảo vệ thực vật luôn được quan tâm nghiên cứu.
Hình ảnh người nông dân đang phun thuốc trừ sâu cho nông sản và bao bì chứa thuốc bị vứt xuống kênh gây ô nhiễm môi trường
2. Các phương pháp chiết mẫu thường quy trong phân tích dư lượng thuốc BVTV
Mục đích chính của các quy trình chiết là có thể tách được các hợp chất thuốc trừ sâu từ nền mẫu bằng quy trình chiết thích hợp. Trong các quy trình đều cần làm sạch bằng chiết pha rắn hoặc chiết lỏng lỏng để loại bớt tạp chất bẩn từ nền mẫu.
2.1. Chiết rắn lỏng SLE (solid – liquid extraction)
Phương pháp chiết này được sử dụng rộng rãi để phân tích thuốc trừ sâu từ nền mẫu rắn, đầu tiên dung môi chiết len lỏi sâu vào giữa các thành phần mẫu để tiếp xúc với chất phân tích, sau đó chất phân tích khuếch tán đi vào dung môi chiết. Yếu tố quan trọng nhất của kỹ thuật chiết rắn lỏng này là lựa chọn dung môi thích hợp. Tuy nhiên những yếu tố khác như áp suất, nhiệt độ cũng có ảnh hưởng quan trọng lên hiệu quả chiết. Khi tăng áp suất sẽ làm tăng khả năng phân tán của dung môi đi sâu vào nền mẫu rắn, tăng nhiệt độ sẽ làm tăng khả năng hòa tan của các chất phân tích vào dung môi. Các kỹ thuật hỗ trợ trong chiết rắn lỏng đó là lắc, chiết soxhlet, đánh siêu âm, microwave. Mỗi kỹ thuật đều có những ưu nhược điểm riêng.
Lắc: là cách đơn giản và thuận tiện thường sử dụng chiết thuốc trừ sâu từ trái cây và rau quả. Chỉ cần cho dung môi thích hợp rồi lắc trong một khoảng thời gian xác định. Kỹ thuật lắc với dung môi đơn giản và thuận tiện nhưng không hiệu quả trong những trường hợp chất phân tích có liên kết chặt chẽ với nền mẫu. Trong trường hợp này đánh siêu âm là cách hỗ trợ tốt, giúp cho sự khuếch tán của dung môi vào mẫu, tăng thêm sự tiếp xúc để quá tŕnh chiết được hiệu quả hơn, giảm được lượng dung môi và thời gian chiết.
Chiết soxhlet: khi quá trình lắc không đủ tốt để chiết, lúc đó cần hỗ trợ bằng cách gia nhiệt. Hiệu quả chiết tốt nhưng cũng có nhược điểm về thời gian chiết lâu, sử dụng một lượng lớn dung môi.
Chiết bằng microwave: Mẫu và dung môi chiết được gia nhiệt bằng vi sóng, có sự kiểm soát về áp suất, nhiệt độ và năng lượng. Kỹ thuật này cho hiệu quả chiết tương tự như chiết soxhlet tuy nhiên giảm được thời gian chiết (thời gian chiết khoảng 15 phút) và giảm được dung môi chiết so với kỹ thuật chiết soxhlet (dung môi sử dụng 25-50ml).
2.2. Chiết lỏng lỏng LLE (liquid-liquid extraction)
Hiện nay, chiết lỏng lỏng là phương pháp phổ biến nhất cho việc chiết đồng thời nhiều thuốc trừ sâu trên đối tượng mẫu chứa hàm lượng nước cao. Phương pháp chiết lỏng lỏng dựa vào sự phân bố của chất phân tích trên 2 loại dung môi không trộn lẫn vào nhau. Hiệu quả của quá trình chiết dựa vào ái lực của chất phân tích với dung môi, tỉ lệ dung môi mỗi pha, số lần chiết mẫu.
Hầu hết phương pháp chiết lỏng lỏng đều thích hợp cho việc xác định nhiều thuốc trừ sâu trên nhiều nền mẫu: nước, thực phẩm, môi trường… Tuy nhiên, đối với các hợp chất có độ phân cực cao thì phương pháp chiết lỏng lỏng cho hiệu suất thu hồi tương đối thấp. Ví dụ như atrazine trong nước cho hiệu suất quá trình chiết lên đến 90% nhưng trong khi đó desisopropylatrazine (16%), desethylatrazine (46%), hydroxyatrazine (46%). Để tăng hiệu suất thu hồi, ta thay đổi pH để tránh sự ion hóa của chất phân tích có tính axit, bazơ hay thêm muối để đẩy chất phân tích qua tướng hữu cơ là giải pháp tối ưu nhất cho việc chiết đồng thời nhiều thuốc trừ sâu.
Ưu điểm: Sự kết hợp của dung môi và pH làm tăng khả năng chiết nhiều thuốc trừ sâu từ nền mẫu.
Nhược điểm: Phương pháp chiết này sử dụng nhiều dung môi gây độc hại cho con người và môi trường. Chiết lỏng lỏng luôn có một lớp nhũ tương giữa 2 pha, đôi khi lớp nhũ tương này rất khó để phá vỡ dẫn đến việc tốn kém thời gian cho quá trình xử lý mẫu. Phương pháp này chi phí cao tốn nhiều thời gian và không tự động hóa được.
2.3. Kỹ thuật chiết pha rắn SPE (solid phase extraction)
Giống như chiết lỏng lỏng, chiết pha rắn dựa trên ái lực khác nhau của chất phân tích giữa hai pha.
Trong chiết pha rắn, mẫu được cho qua chất hấp phụ rắn (có nhiều loại chất hấp phụ rắn phân cực, không phân cực, trao đổi ion hay ái lực) nhồi trong cột. Những chất phân tích có ái lực lớn với pha rắn hấp phụ sẽ được giữ lại trên cột, trong khi đó những chất khác sẽ đi qua cột. Tạp chất được rửa với dung môi để loại bỏ nhưng chất phân tích vẫn giữ lại, sau đó chất phân tích bị giữ trên cột được rửa giải bằng một lượng nhỏ dung môi thích hợp chọn lọc với chất phân tích.
Ưu điểm: Bằng phương pháp này ta có thể làm giàu mẫu nhằm hạ giới hạn phát hiện của phương pháp. Phương pháp dễ thực hiện, có thể làm hàng loạt cho nhiều mẫu cùng một lúc. Tiết kiệm được lượng lớn dung môi, ít gây độc hại với con người và môi trường.
Với kỹ thuật chiết SPE, mẫu có thể làm giàu nhiều lần tăng độ nhạy cho phân tích các hợp chất. Vấn đề quan trọng trong chiết SPE là lựa chọn pha rắn hấp phụ thích hợp, hiểu được mối tương quan giữa chất phân tích và chất hấp phụ là vấn đề quan trọng.
2.4. Kỹ thuật chiết pha rắn với chất hấp phụ không phân cực
Kỹ thuật này có thể làm giàu lượng vết và làm sạch chất phân tích cho những mẫu lỏng phân cực. Mạch n-alkyl gắn trên silica như C8, C18 được dùng để giữ các thuốc trừ sâu không phân cực và phân cực trung bình. Cơ chế của quá trình lưu giữ dựa vào lực Van der Waals và những phản ứng kỵ nước.
Ưu điểm: bằng kỹ thuật này ta có thể cho một lượng lớn mẫu qua cột và sau đó rửa giải bằng một lượng nhỏ dung môi hữu cơ như: methanol, acetonitrile, ethyl acetate…
Nhược điểm: đối với thuốc trừ sâu có tính phân cực do không có khả năng lưu giữ trên cột sẽ cho hiệu suất thu hồi rất thấp. Hiện nay, để tăng hiệu suất thu hồi cho một số thuốc trừ sâu có độ phân cực cao, người ta sử dụng những chất hấp phụ có ái lực tốt hơn với chất phân tích. Những chất hấp phụ đó bao gồm styrene divinylbenzene gắn trên nền polymer. Như vậy, với chất hấp phụ mới, ta sẽ làm tăng hiệu suất thu hồi cho một số thuốc trừ sâu có độ phân cực cao.
2.5. Kỹ thuật chiết pha rắn với chất hấp phụ trao đổi ion
Thuốc trừ sâu dạng ion hay dễ bị ion hóa có thể được chiết bằng những chất hấp phụ trao đổi ion. Ở một pH nhất định, chất phân tích sẽ tồn tại dạng ion và được hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ theo cơ chế trao đổi ion và sau đó chất phân tích được rửa giải bằng dung dịch đệm có pH thích hợp.
Ưu điểm: phương pháp này có thể áp dụng tốt cho chất phân tích ở dạng ion hay chất dễ ion hóa.
Nhược điểm: phương pháp này hạn chế cho những mẫu mà trong nền mẫu chứa nhiều ion hữu cơ. Sự hiện diện của hàm lượng lớn ion hữu cơ trong nền mẫu sẽ gây tình trạng quá tải làm cho chất phân tích không được hấp phụ lên cột, như vậy sẽ dẫn đến hiệu suất thu hồi thấp.
2.6. Chiết vi lượng pha rắn SPME (solid phase micro extraction)
Phương pháp chiết này đơn giản, không dùng dung môi hữu cơ độc hại, và thực hiện nhanh với nhiều loại sợi chiết được làm sẵn với nhiều loại chất hấp thu khác nhau phủ lên sợi chiết. Sợi chiết silica được phủ lên một lớp pha tĩnh tương tự như cột sắc ký, sợi chiết được đặt bên trong một cây kim bảo vệ. Tương tự như chiết pha rắn, chiết SPME cũng dựa trên sự phân bố của chất phân tích giữa nền mẫu và pha tĩnh. Chiết vi lượng pha rắn gồm hai bước chính là chiết và giải hấp, ngoài ra còn có thể thực hiện thêm bước rửa nếu cần.
Chiết: quá trình chiết có thể thực hiện bằng cách chiết ở phần khoảng không (đối với các hợp chất dễ bay hơi từ nền mẫu lỏng hoặc mẫu rắn), hoặc đưa trực tiếp sợi chiết tiếp xúc với mẫu. Đầu tiên mẫu được bỏ vào lọ kín, cắm cây kim vào lọ rồi đẩy sợi chiết ra để hấp thu chất phân tích lên pha tĩnh phủ bên ngoài sợi chiết. Sau đó sợi chiết được kéo vào bên trong kim bảo vệ và rút ra khỏi mẫu.
Việc lựa chọn sợi chiết với thành phần pha tĩnh hợp lý là yếu tố chính của kỹ thuật này. Bề dày pha tĩnh phủ bên ngoài sợi chiết và độ xốp của pha tĩnh cũng là yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả chiết, bên cạnh đó một số yếu tố như nhiệt độ, thời gian chiết, pH cũng cần tối ưu để đạt được hiệu quả chiết tốt nhất.
Giải hấp: các chất phân tích bị hấp thu vào pha tĩnh của sợi chiết được giải hấp ra để phân tích. Có thể giải hấp trực tiếp bằng cách gia nhiệt ở buồng tiêm mẫu sắc ký khí hoặc rửa giải bằng dung môi thích hợp. Gần đây đã có hệ thống kết nối trực tiếp với sắc ký lỏng, các hợp chất được giải hấp bằng thành phần pha động của hệ thống sắc ký lỏng.
3. Kết luận: Trên đây là phần tổng quan về một số phương pháp chiết và làm sạch mẫu còn chứa vi lượng thuốc trừ sâu, bài viết tóm gọn lại một phần các phương pháp đang được sử dụng, vẫn còn rất nhiều các phương pháp chiết hiệu quả khác và bộ môn mong nhận được những đóng góp từ đọc giả để bài viết thêm hoàn chỉnh.
ThS. Phan Nguyễn Thu Xuân
Bộ môn Hóa phân tích
