Tài liệu Nghiên cứu quang hóa xúc tác tio2 phân hủy thuốc trừ cỏ trong môi trường nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------------------- Nguyễn Thị Thu Hà NGHIÊN CỨU QUANG HÓA XÚC TÁC TiO2 PHÂN HỦY THUỐC TRỪ CỎ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------------------- Nguyễn Thị Thu Hà NGHIÊN CỨU QUANG HÓA XÚC TÁC TiO2 PHÂN HỦY THUỐC TRỪ CỎ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chuyên ngành Hóa Môi trường Mã số 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Trần Mạnh Trí PGS.TS. Đỗ Quang Trung Hà Nội – Năm 2014 2 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn TS.Trần Mạnh Trí – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, người đã hướng dẫn khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn này. Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới PGS.TS Đỗ Quang Trung – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, người đã trực tiếp giao cho em đề tài và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn NCS.Nguyễn Anh Tuấn và Trung tâm Kiểm định chất lượng môi trường đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm nghiên cứu này. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô trong khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ths. Trần Cao Sơn và các cán bộ kỹ thuật khoa Độc học - Dị nguyên - Viện Kiểm nghiệm ATVSTP quốc gia, đã quan tâm và tạo điều kiện cho tôi trong thời gian thực hiện đề tài. Cuối cùng tôi xin trân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày 05 tháng 03 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Thu Hà 13 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH – DANH MỤC BẢNG – DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU ................................................................................................................8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................9 1.1. Tổng quan về thuốc trừ cỏ được nghiên cứu ..................................................9 1.1.1. Giới thiệu chung về thuốc trừ cỏ .............................................................9 1.1.2. Thuốc trừ cỏ Trifluralin.........................................................................11 1.1.3. Một số phương pháp phân tích thuốc trừ cỏ...........................................14 1.1.4. Một số phương pháp xử lý nước ô nhiễm thuốc BVTV .........................22 1.2. Ứng dụng của xúc tác quang hóa TiO2.........................................................24 1.2.1. Tính chất lý – hóa của TiO2 ...................................................................24 1.2.2. Hoạt tính quang hóa của xúc tác TiO2 ...................................................27 1.2.3. Ứng dụng của xúc tác TiO2 ...................................................................29 Chương 2: THỰC NGHIỆM .................................................................................34 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị .......................................................................34 2.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................36 2.2.1. Phương pháp phân tích ..........................................................................36 2.2.2. Nghiên cứu khả năng xử lý thuốc trừ cỏ của xúc tác quang hóa TiO2 ....37 2.2.3. Ứng dụng các vật liệu khác để xử lý thuốc trừ cỏ Trifluralin .................39 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................41 3.1. Khảo sát lại các điều kiện sắc ký để xác định Trifluralin .............................41 3.2. Khảo sát khả năng phân hủy Trifluralin bằng xúc tác quang hóa TiO2 .........41 3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH...................................................................41 3.2.2. Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến hiệu suất phản ứng ...........................45 3.2.3. Khảo sát thời gian phản ứng ..................................................................48 3.2.4. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến hiệu suất phản ứng...................50 3.3. Ứng dụng các vật liệu khác để phân hủy thuốc trừ cỏ Trifluralin .................53 KẾT LUẬN...........................................................................................................57 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................58 PHỤ LỤC 4 DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN Tên bảng Trang Bảng 1.1 Bảng phân loại thuốc trừ cỏ theo bản chất hóa học Bảng 1.2 Một số thông số về cấu trúc tinh thể và lý tính của các dạng thù hình TiO2 Bảng 1.3 Một số ứng dụng chủ yếu của xúc tác quang hóa TiO2 Bảng 2.1 Điều kiện thí nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng quang xúc tác phân hủy thuốc trừ cỏ Trifluralin của TiO2 2 20 26 33 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính xúc tác của TiO2 39 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến hoạt tính xúc tác của TiO2 41 Bảng 3.3 Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý thuốc trừ cỏ Trifluralin trong các điều kiện khác nhau 42 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của thời gian tới hoạt tính xúc tác của TiO2 44 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của điều kiện ánh sáng đến hoạt tính xúc tác của TiO2 47 Bảng 3.6 Hiệu quả xử lý thuốc trừ cỏ Trifluralin của các vật liệu 50 5 DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1 Sơ đồ thiết bị sắc ký khí 8 Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị sắc ký lỏng 10 Hình 1.3 Kĩ thuật ESI bắn phá với chế độ ion dương 13 Hình 1.4 Kĩ thuật APCI bắn phá với chế độ ion dương 14 Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể của các dạng thù hình TiO2 19 Hình 1.6 Các quá trình xảy ra trên bề mặt hạt TiO2 sau khi chiếu bức xạ UV 22 Hình 1.7 Sơ đồ biểu diễn cơ chế của quá trình quang xúc tác trên chất bán dẫn TiO2 23 Hình 2.1 Hệ thống sắc ký lỏng tại phòng thí nghiệm 29 Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị phản ứng 30 Hình 2.3 Sắc ký đồ chuẩn của Trifluralin 31 Hình 3.1 Ảnh chụp hệ phản ứng 37 Hình 3.2 Sắc ký đồ khảo sát ảnh hưởng của pH tại pH = 3,7 38 Hình 3.3 Sắc ký đồ khảo sát ảnh hưởng của pH tại pH = 8,7 38 Hình 3.4 Sự phụ thuộc của độ chuyển hóa theo pH 39 Hình 3.5 Quá trình hình thành các gốc tự do •OH và HOO • trong môi trường 40 kiềm và môi trường axit Hình 3.6 Sự phụ thuộc của độ chuyển hóa theo lượng xúc tác Hình 3.7 Biểu đồ so sánh kết quả khi không sử dụng xúc tác TiO2 và có sử dụng xúc tác TiO2 để xử lý thuốc trừ cỏ Trifluralin 41 43 Hình 3.8 Sự phụ thuộc của độ chuyển hóa theo thời gian 45 Hình 3.9 Sắc ký đồ khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng 46 Hình 3.10 Sự phụ thuộc của độ chuyển hóa theo điều kiện ánh sáng 47 Hình 3.11 Hiệu quả xử lý thuốc trừ cỏ Trifluralin của các vật liệu (than, bột TiO2, TiO2/than và TiCl4/than) Hình 3.12 Phổ XRD của các mẫu:TiO2-0.2, TiO2/PFA-0.2–1, TiO2/C-0.2–1 Hình 3.13 Sự phụ thuộc của nồng độ tương đối (c/c0) của dung dịch MB vào thời gian chiếu xạ tia UV cho các vật liệu tổng hợp 6 49 51 51 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN APCI Atmospheric-pressure chemical ionization BVTV Bảo vệ thực vật ĐHQGHN Đại học Quốc gia Hà Nội EPTC S-Ethyl Dipropylcarbamothioate ESI Electrospray ionization ECD Electron capture detector FAB Fast-atom bombardment FID Flame ionization detector FLD Fluorescence Detector FPD Flame photometric detector FTD Flame Thermionic Detector HPLC High Performance Liquid Chromatography LC Liquid Chromatography LC50 Lethal concentration, 50% LD50 Lethal dose, 50% MCPA 2-methyl-4-chlorophenoxyacetic acid MCPB 4-(4-Chloro-2-methylphenoxy)butanoic acid MS Mass Spectro NN&PTNT Nông nghiệp và phát triển nông thôn PDA Photodiode arrays Pzc Point of Zero Charge RID Refractive index detector UV Ultra Violet TCD Thermal conductivity detector 7 MỞ ĐẦU Nước ta là một nước nông nghiệp, nông dân chiếm trên 70% dân số cả nước. Do vậy, nông nghiệp chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Khi nền nông nghiệp càng phát triển, đi vào thâm canh, sản xuất hàng hoá thì vai trò của công tác bảo vệ thực vật, đặc biệt là việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) ngày càng quan trọng đối với sản xuất. Cho đến nay, lượng lớn thuốc bảo vệ thực vật được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp để trừ sâu bệnh và trừ cỏ, một số được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản như: fipronil, cartap, metalaxyl, profennofos, cypermethrin, methyparathion, trifluralin, methidathion, diazinon… Trong đó, trifluralin được sử dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản để xử lý nước ao nuôi và diệt các loại ký sinh trùng gây bệnh. Tuy nhiên, việc sử dụng thuốc BVTV, trong đó có thuốc trừ cỏ trong sản xuất vẫn còn rất hạn chế trong kiểm soát, dẫn đến sử dụng một cách tùy tiện, không đúng kỹ thuật, liều lượng, thời gian quy định… gây ảnh hưởng không tốt đến đất đai canh tác, môi trường và sức khỏe con người như tồn dư thuốc BVTV trong đất và nông sản, ô nhiễm nguồn nước mặt… [5]. Cho tới nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về phương pháp xử lý thuốc BVTV tại Việt Nam và trên thế giới như phương pháp hấp phụ, phương pháp oxi hóa tăng cường,… Một trong những phương pháp xử lý hóa chất BVTV được nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu đã cho nhiều kết quả tốt là phương pháp oxi hóa phân hủy sử dụng xúc tác quang hóa. Trong các vật liệu bán dẫn được sử dụng làm xúc tác quang hóa (như WO3, ZnO, ZnS, Fe2O3, CdS, SrTiO3…) thì TiO2 là một trong những xúc tác quang hóa được sử dụng rộng rãi nhất nhờ tính ổn định về mặt hóa học, giá thành rẻ, không độc hại và khả năng chống ăn mòn. Do vậy TiO2 là vật liệu thích hợp ứng dụng trong xử lí môi trường. Vì vậy, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu quang hóa xúc tác TiO2 phân hủy thuốc trừ cỏ trong môi trường nước” nhằm góp phần tìm ra phương pháp tối ưu xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy đặc biệt là thuốc bảo vệ thực vật trong môi trường nước. 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về thuốc trừ cỏ được nghiên cứu 1.1.1. Giới thiệu chung về thuốc trừ cỏ Năm 1890, những thuốc trừ cỏ vô cơ như dung dịch Boocđô, acid sulfuric, được dùng đầu tiên. Tiếp đến năm 1920, nhóm thuốc trừ cỏ Chlorat được sử dụng. Chúng đều là những thuốc trừ cỏ không chọn lọc, tồn tại lâu trong môi trường. Thuốc trừ cỏ chọn lọc đâu tiên là Dinoseb được sử dụng vào năm 1930. Năm 1940, thuốc trừ cỏ 2,4-D được phát hiện, mở đầu cho hàng loạt thuốc trừ cỏ thuộc nhóm phenoxy ra đời. Năm 1966, thuốc trừ cỏ 2,4,5-T (hoạt chất chủ yếu của chất độc màu da cam) lần đầu, được Mỹ sử dụng như một vũ khí hoá học chống lại nhân dân Việt Nam, đã để lại những hậu quả vô cùng nghiêm trọng cho môi sinh, môi trường, mà đến nay vẫn chưa khắc phục được [11, 45, 48]. Năm 1996, có trên 300 hoạt chất trừ cỏ, gia công thành hàng nghìn chế phẩm khác nhau được sử dụng trong nông nghiệp. Phần lớn những chế phẩm này là những hợp chất hữu cơ có hoạt tính trừ cỏ cao, nhiều loại dùng ở liều lượng rất thấp và khá an toàn với cây trồng [11]. Ưu điểm của thuốc trừ cỏ : Tiện lợi, hiệu quả, dễ dùng, kinh tế và an toàn. Phân loại thuốc trừ cỏ Có rất nhiều cách để phân loại thuốc trừ cỏ, theo nguồn gốc, ứng dụng hoặc theo bản chất và thành phần hóa học [21]. Bảng 1.1 chỉ ra cách phân loại thuốc trừ cỏ theo bản chất hóa học. Bảng 1.1. Bảng phân loại thuốc trừ cỏ theo bản chất hóa học STT 1. Tên nhóm Một số hoạt chất thuốc trừ cỏ trong nhóm Ví dụ Thuốc trừ cỏ vô ammonium sulphate, cơ sulphuric axit, sodium borate, sodium chlorate. Sodium chlorate 2. Thuốc trừ cỏ hữu cơ 2.1 Nhóm hữu cơ arsenic disodium methanearsonate (DSMA), monosodium 9 Disodium methanearsonate methanearsonate (MSMA). 2.2 Nhóm Phenoxy 2,4D, 2,4,5-T, MCPA, aliphatic acid MCPB, dichlorprop, penoprop, mecoprop. 2,4D 2.3 Nhóm amides thế + Nhóm Amides chlorthiamid, diphenamid, propyzamide, quinonamid Diphenamid Diphenamid + Nhóm alachlor, butachlor, Anilides metazachlor, metolachlor, propachlor, propanil, perfluidone Propanil 2.4 Nhóm acifluorfen-sodium, Diphenylethers bromofenoxim, diclofopmethyl, fluorodifen, lactofen, oxyfluorfen. 2.5 Nhóm benfluralin, fluchloralin, Dinitroanalines nitralin, oryzalin, Oxyfluorfen pendimethalin, trifluralin. Pendimethalin 2.6 Nhóm ure thế chlorbromuron, chloroxuron, chlortoluron, diuron, fenuron, … Diuron 10 2.7 Nhóm asulam, Carbamates chlorphropham, barban, phenmedipham, propham. Asulam 2.8 Nhóm Asulam EPTC, di-allate, metham- Thiocarbamates sodium, molinate, pebulate, thiobencarb, triallate, vernolate. 2.9 Thiobencarb Nhóm dị vòng Nhóm bao gồm các nhóm thơm chứa nitơ cơ bản sau: Triazines, Triazinones, Triazoles, … 2.10 Nhóm Paraquat, diquat, Bipyridiliums Glyphosate Paraquat 2.11 Nhóm thuốc trừ alloxydim-sodium, cỏ khác Benzonitrilles, bensulide, bentazone, dimethazone, endothal sodium, Nhóm dẫn xuất phenol, Nhóm Glyphosate axit aliphatic… 1.1.2. Thuốc trừ cỏ Trifluralin Trifluralin là một hợp chất hóa học có tên là α,α,α-trifluoro-2,6-dinitro-N,Ndipropyl-p-toluidin hay 2,6-Dinitro-N,N-dipropyl-4-(trifluoromethyl) anilin (C13H16F3N3O4 ) thuộc nhóm Dinitroanalines. Có công thức phân tử và công thức cấu tạo như sau: - Công thức phân tử: C13H16F3N3O4 - Công thức cấu tạo: 11 Đặc tính lý học Trifluralin ở dạng tinh thể có màu vàng da cam; nhiệt độ nóng chảy từ 48,5 – o 49 C; nhiệt độ sôi 96 – 97oC/24Pa; ít hòa tan trong nước, khoảng 0,184 mg/L (pH=5), 0,221 mg/L (pH=7), 0,189 mg/L (pH=9). Tuy nhiên, chúng hòa tan tốt trong một số dung môi hữu cơ như aceton, clorofom, toluen, metanol, hexan. Trifluralin bị phân hủy nhiều khi chiếu tia cực tím [1]. Trifluralin ổn định trong điều kiện thủy phân ở pH từ 3-9 và nhiệt độ lên đến 52oC, dưới 10% Trifluralin bị phân hủy trong điều kiện 50oC tương đương với thời gian bán rã dài hơn 1 năm [10]. Trong đất, Trifluralin bị phân giải chậm hơn, trong điều kiện có ánh sáng và đất cát thì thời gian bán rã là 3 – 18 tuần [46]; trong điều kiện hiếu khí, thời gian bán rã khoảng 900 ngày [40]; còn trong điều kiện kỵ khí, dưới sự hoạt động của vi sinh trong đất, thời gian bán rã của trifluralin là dưới 4 ngày [15]. Tuy nhiên, Trifluralin bị phân hủy nhanh dưới điều kiện ánh sáng, trong môi trường không khí thời gian bán rã của Trifluralin là 5,3 giờ. Trong môi trường nước có pH = 7, dưới tác dụng của ánh sáng nhân tạo ở 25oC, thời gian bán rã của trifluralin là 7 – 8,9 giờ [10, 42, 43]. Trong bóng tối, thời gian bán hủy của trifluralin là 485 giờ (khoảng 20 ngày) [43]. Tác dụng của Trifluralin Trifluralin là hoạt chất được sử dụng trong nhiều loại thuốc trừ cỏ như Hypeclean 750EC (trừ cỏ sắn), Triflurex 48 EC (trừ cỏ đậu tương)… và một số thương phẩm trên thế giới như Treflan, Tri-4, Ipersan, Eflurin, Olitref , premerlin, Trifluran, Zeltoxone, Triflurex, Trilin, Tristar… [1]. Cơ chế tác dụng của Trifluralin là ức chế quá trình phát triển của rễ, chúng làm gián đoạn quá trình phân bào (mitosis) trong giai đoạn phát triển sớm của tế bào mầm. Trifluralin không có hiệu quả trừ cỏ khi cỏ đã phát triển (established weeds). Vì vậy, Trifluralin thường được xử lý vào đất trước khi cỏ mọc mầm với liều lượng được dùng để trừ cỏ là 11,2kg/ha [1]. 12 Tình hình sử dụng Trifluralin ở Việt Nam Trong nuôi trồng thủy sản, Trifluralin được sử dụng đầu tiên trong lĩnh vực sản xuất giống tôm sú nhằm phòng trị bệnh nấm sợi trên ấu trùng tôm, liều lượng sử dụng khoảng 0,05 mg/l cho phòng bệnh và 0,1 mg/l cho trị bệnh. Hiện nay, Trifluralin được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý nước và diệt các loại ký sinh trùng gây bệnh trong ao nuôi cá, đặc biệt là ương cá tra giống. Các sản phẩm thương mại của Trifluralin hầu hết có thành phần hoạt chất là 48% ở dạng dung dịch, liều lượng khuyến cáo của các nhà sản xuất là 30-40 ml/1.000 m3 cho phòng bệnh và 80-100 ml/1.000m3 cho trị bệnh. Trong sản xuất nông nghiệp, Trifluralin là hoạt chất có trong nhiều loại thuốc trừ cỏ được sử dụng rộng rãi như Hypeclean, Triflurex… để phòng trừ và trừ cỏ dại cho lúa và hoa màu. Độc tính của Trifluralin với động vật và người Độc tính cấp tính: LD50 đối với chuột là 0,5g/kg trọng lượng cơ thể, đối với thỏ và chó là 2g/kg trọng lượng cơ thể [43]. Buồn nôn và gây khó chịu đường tiêu hóa nghiêm trọng có thể xảy ra sau khi nhiễm độc trifluralin. Trifluralin không gây kích ứng da. Khi thử nghiệm cho đôi mắt của thỏ, trifluralin chỉ gây kích ứng nhẹ, sau đó được làm sạch trong vòng 7 ngày [45]. Người khi hít phải chất này có thể gây kích ứng niêm mạc miệng, cổ họng, hoặc phổi [45]. Độc mãn tính: khi tiếp xúc kéo dài hoặc lặp đi lặp lại với thuốc trừ cỏ trifluralin có thể gây ra viêm da dị ứng [45]. Khi thử nghiệm với liều lượng 25 mg/kg/ngày cho chó trong 2 năm thì kết quả cho thấy là ở liều lượng này không gây ra nhiễm độc mãn tính. Trong một nghiên cứu khác đối với chó, liều lượng gây độc mãn tính là 18,75 mg/kg/ngày. Với liều lượng này, trifluralin làm giảm lượng hồng cầu; làm tăng methemoglobin, tổng số lipid huyết thanh, chất béo trung tính và cholesterol [44]. Trifluralin đã được chứng minh là gây ra bệnh gan và thận mãn tính ở động vật khi tiếp xúc bằng miệng trong các nghiên cứu khác [45]. Thuốc trừ cỏ này được phân loại là nhóm C có thể gây ung thư cho người và tương đối độc hại đối với động vật thủy sinh. Ngoài ra, trifluralin còn bị nghi ngờ là gây rối loạn nội tiết [7, 32]. Sự tồn tại trong người và động vật: Trifluralin không dễ dàng được hấp thụ vào máu qua đường tiêu hóa. Khi thử nghiệm với chó và chuột, 80% của lượng 13 trifluralin được bài tiết trong phân [44]. Ảnh hưởng đến sinh thái: + Ảnh hưởng đến các loài chim: Trifluralin là thực tế không độc hại với các loài chim. LD50 đối với chim cút, vịt trời và gà lôi lớn hơn 2000 mg/kg [33]. Những giá trị này là dành cho các sản phẩm kỹ thuật. + Ảnh hưởng đến thủy sinh vật: Trifluralin là rất độc đối với cá và các sinh vật thủy sinh khác. Trong 96 giờ, LC50 là 0,02-0,06 mg/l đối với cá hồi và 0,05-0,07 mg/l đối với cá mang xanh thái dương [48]. LC50 trong 96 giờ đối với cá da trơn là khoảng 1,4-3,4 mg /l [48]. Các yếu tố như nhiệt độ, độ pH, giai đoạn sống, hoặc kích cỡ có thể ảnh hưởng đến độc tính của hợp chất. + Ảnh hưởng đến các sinh vật khác: Ở mức độ tiếp xúc cao hơn giá trị cho phép (100 mg/kg), trifluralin đã được chứng minh là độc hại đối với giun đất. Dư lượng cho phép của trifluralin trong đất khoảng 1 ppm sẽ không gây tác hại đến giun đất [12]. Trifluralin không độc với ong [18]. 1.1.3. Một số phương pháp phân tích thuốc trừ cỏ Các thuốc bảo vệ thực vật nói chung và các thuốc trừ cỏ nói riêng, trên thực tế rất khó để xác định bằng các phương pháp phân tích thông thường. Để định lượng hay định tính được các hợp chất này, người ta phải sử dụng đến các phương pháp phân tích hiện đại như phương pháp cực phổ, phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử, phương pháp điện di mao quản, phương pháp sắc ký... Dưới đây chúng tôi giới thiệu hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích thuốc trừ cỏ là phương pháp sắc ký khí và phương pháp sắc ký lỏng. 1.1.3.1. Phương pháp sắc ký khí * Sơ đồ thiết bị sắc ký khí: Hình 1.1. Sơ đồ thiết bị sắc ký khí 14 A: khí mang E: Detector B: bộ lọc F: lò cột C: buồng tiêm mẫu G: thiết bị ghi nhận tín hiệu D: cột Phương pháp sắc ký khí được áp dụng rộng rãi để xác định các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong nhiều nghiên cứu đã được công bố trước đây. Như trong nghiên cứu về sự quang phân của Trifluralin trong môi trường nước tự nhiên (như nước biển, sông, hồ) dưới sự có mặt của các ion nitrate (NO3-) và các chất hữu cơ cô lập. Triantafyllos và cộng sự [41] đã sử dụng phương pháp sắc ký khí khối phổ (GC/MS) để xác định các sản phẩm quang phân chính. Thiết bị GC/MS được trang bị một cột mao quản DB-5-MS, kích thước 30m × 0,25mm i.d × 0,25µm film thickness có chứa 5% phenylmethyl và 95% dimethylpolysiloxane; nhiệt độ cổng bơm mẫu là 250oC; khí mang sử dụng là khí heli với tốc độ 1.0ml/phút. Nhiệt độ buồng ion hóa là 290oC; detector MS được vận hành ở chế độ ion hóa điện tử với điện thế 70 eV và phổ thu được trong chế độ quét toàn bộ. Ngoài ra, nghiên cứu còn sử dụng phương pháp sắc ký khí với detector FTD để phân tích động học của quá trình quang phân. Trong một nghiên cứu khác, thuốc trừ sâu methyl parathion và dichlorvos được phân tích bằng thiết bị sắc ký khí với detector ECD (GC / ECD); cột mao quản có kích thước 0,53mm x 30 m x 0,5 µm; nhiệt độ của kim phun và detector được duy trì ở 180 oC và 350 oC; khí mang sử dụng là khí Nitrogen với tốc độ dòng 2,0ml/phút. Thiết bị GC-MS cũng được sử dụng để tách và phát hiện các chất trung gian, được hình thành trong quá trình phân hủy methyl parathion và dichlorvos với cột mao quản HP-5 có kích thước 0,25 mm x 30 m; khí mang sử dụng là khí heli với tốc độ dòng 1.0 ml/phút [23]. * Nguyên tắc chung của phương pháp sắc ký khí Nguyên tắc của phương pháp này là dòng khí mang được cấp liên tục từ bộ phận cấp khí qua cổng bơm mẫu, tại đây mẫu được bơm vào dưới dạng lỏng hoặc khí, nhờ nhiệt độ cao, các chất đều được hóa hơi và dòng khí mạng đưa toàn bộ mẫu hoặc một phần đi vào cột tách. Tại cột tách, nhờ lực tương tác khác nhau của các pha tĩnh trong thành cột (với cột mao quản) và các hạt pha tĩnh (với cột nhồi), mà các chất ra khỏi cột đến detector với những khoảng thời gian khác nhau. Tại 15 detector, mỗi chất khi đến nơi đều được nhận biết bằng việc thay đổi thế điện hoặc nhiệt so với dòng khí mang ổn định khi không có chất. Mỗi sự thay đổi này đều được chuyển thành tín hiệu điện, khuếch đại, lưu trữ thông qua bộ xử lý số liệu và được in ra dưới dạng sắc ký đồ [2]. * Một số detector thường sử dụng của phương pháp: detector ECD, FTD, FPD, FID, MS, TCD. Phương pháp có ưu điểm là thời gian phân tích nhanh; hiệu quả tách cao; độ nhạy cao, cực tiểu phát hiện đạt ppm – ppb; không phân hủy mẫu, có khả năng ghép nối với MS; độ chính xác cao, độ lệch chuẩn tương đối; lượng mẫu nhỏ và giá thành không đắt. Tuy vậy, phương pháp này có nhược điểm khá lớn là phạm vi áp dụng của phương pháp hạn chế do chỉ sử dụng cho các hợp chất dễ bay hơi; ngoài ra, phương pháp không phù hợp với các chất phân hủy nhiệt và gặp khó khăn với các mẫu phức tạp, phải mất nhiều thời gian để chuẩn bị mẫu, đòi hỏi phải có detector khối phổ MS để định danh chính xác chất. 1.1.3.2. Phương pháp sắc ký lỏng Phương pháp sắc ký lỏng là quá trình tách xảy ra trên cột tách với pha tĩnh là chất rắn và pha động là chất lỏng (sắc ký lỏng - rắn). Mẫu phân tích được đưa vào cột tách dưới dạng dung dịch. Khi tiến hành chạy sắc ký, các chất phân tích được phân bố liên tục giữa pha động và pha tĩnh. Trong hỗn hợp các chất phân tích, do cấu trúc phân tử và tính chất lí hoá của các chất khác nhau, nên khả năng tương tác của chúng với pha tĩnh và pha động khác nhau. Do vậy, chúng di chuyển với tốc độ khác nhau và tách ra khỏi nhau [2]. Hình 1.2 mô tả sơ đồ thiết bị sắc ký lỏng nói chung. 16 Hình 1.2. Sơ đồ thiết bị sắc ký lỏng Các detector thường sử dụng là detector quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS, detector huỳnh quang RF, detector khối phổ MS… Ưu điểm của phương pháp là có thể phân tích đồng thời nhiều hợp chất, không cần làm bay hơi mẫu, độ phân nhạy và độ phân giải cao nhờ quá trình tách trên cột và thể tích mẫu phân tích nhỏ (1 – 100µl). Nhưng cũng có nhược điểm là thời gian làm sạch và ổn định cột sau các lần chạy lâu, thiết bị đắt tiền và tốn nhiều dung môi pha động tinh khiết. Rất nhiều nghiên cứu về thuốc bảo vệ thực vật đã áp dụng phương pháp sắc ký lỏng để định lượng các chất nghiên cứu. Tác giả Trần Trọng Thuyền và cộng sự [4] đã sử dụng phương pháp sắc ký lỏng cao áp (HPLC) với detector Diode array ở bước sóng 278 nm, pha động methanole/nước theo tỷ lệ thể tích là 30/70, tốc độ dòng 0,6ml.phút-1, cột C18 (100 x 4 mm) để xác định nồng độ thuốc trừ cỏ 2,4 – Dichlophenoxyacetic axit và 2,4,5 - Trichlophenoxyacetic axit. Trong một nghiên cứu khác [27], phương pháp HPLC detector UV cũng được sử dụng để phân tích các thuốc trừ sâu isoproturon, phosphamidon và imidacloprid; cột sử dụng là cột C18 với pha động là acetonitrile/nước (với tỷ lệ 50%/50% về thể tích), tốc độ dòng chảy 1 ml. phút-1. Detector UV được đặt ở bước sóng 254 nm đối với isoproturon, 235 nm cho phosphamidon và 275 nm cho mẫu imidacloprid. Tác giả Feng Tang và cộng sự [13] đã xác định dư lượng thuốc trừ sâu nhóm carbamat trong rau bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng hiệu năng cao HPLC tại 2 17 bước sóng  = 243nm và  = 207nm. Phương pháp có hiệu suất thu hồi từ 70,13 – 103,7% tại nồng độ 1 – 5mg/kg. Nghiên cứu về xác định dư lượng chloramphenicol, enrofloxacin và 29 loại thuốc trừ sâu trong sữa bò [19], nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp LC/MS/MS để phân tích. Cột được sử dụng là cột SB-C18, kích thước 2.1 mm x 150 mm được đặt ở nhiệt độ 30oC. Tốc độ dòng là 0,2 ml.phút -1, thể tích vòi phun là 5 µl; pha động sử dụng là methanol: axit formic (với tỷ lệ 0,2% axit formic). Detector MS/MS được thực hiện ở chế độ ion hóa âm hoặc dương, phụ thuộc vào mỗi chất. Như vậy, phương pháp sắc ký lỏng có thể phân tích được rất nhiều các loại thuốc trừ sâu khác nhau. Phương pháp có nhiều ưu điểm như độ chọn lọc cao, giới hạn phát hiện thấp, thời gian phân tích nhanh, không cần tách lọc nước trước khi đo... Với những ưu điểm trên, chúng tôi đã chọn phương pháp sắc kí lỏng cao áp và sắc ký lỏng khối phổ để xác định thuốc trừ cỏ Trifluralin. Detector UV-VIS Đây là loại detector rất thông dụng, hầu hết các thiết bị sắc ký lỏng được trang bị loại detector này. Nó có cấu tạo gần giống với máy trắc quang bình thường, điểm khác nhau ở buồng mẫu, phần cuvet tĩnh được thay bằng flowcell. Detector có gắn đèn UV (thường là đèn deuterim 190-360nm) và đèn VIS (đèn tungsten, 360-800nm). Vì vậy các hợp phần hấp thu ánh sáng từ khoảng 180800nm sẽ được đầu dò phát hiện. Chất phân tích sau khi rửa giải ra khỏi cột chuyển qua 1 tế bào cảm biến hình trụ. Ánh sáng trong vùng UV/VIS truyền qua tế bào tới mảng quang điện. Nếu chất phân tích hấp thu được ánh sáng ở 1 bước sóng nào đó, mảng quang điện sẽ phát hiện ra sự thay đổi. Tín hiệu phát ra từ mảng quang điện sẽ chuyển tới bộ khuếch đại đến bộ ghi đo và hệ thống thu dữ liệu. Cường độ dòng sáng truyền qua cell đo (I) tỉ lệ với nồng độ của chất phân tích theo định luật Lamber- Beer (ε- hệ số hấp thu phân tử, c- nồng độ (mol/L), lchiều dài đường truyền quang (l luôn là 1 cm), Io là cường độ của tia sáng tới cell): 18 Anthocyanin có 2 bước sóng hấp thu ở 530nm và 280nm, vì vậy có thể sử dụng đầu dò UV/VIS. Trong HPLC định lượng, có thể dùng UV/VIS kết hợp với PDA hoặc với MS. Detector khối phổ MS (Mass Spectrometry) Khối phổ là thiết bị phân tích dựa trên cơ sở xác định khối lượng phân tử của các hợp chất hóa học bằng việc phân tách các ion phân tử theo tỉ số giữa khối lượng và điện tích (m/z) của chúng. Các ion có thể tạo ra bằng cách thêm hay bớt điện tích của chúng như loại bỏ electron, proton hóa,... Các ion tạo thành này được tách theo tỉ số m/z và phát hiện, từ đó có thể cho thông tin về khối lượng hoặc cấu trúc phân tử của hợp chất. Nguồn ion Chất phân tích sau khi ra khỏi cột tách sẽ được dẫn tới nguồn ion để chuyển thành dạng hơi và được ion hóa nguyên tử. Một số kĩ thuật ion hóa được sử dụng trong sắc ký lỏng khối phổ như: ion hóa phun điện tử (electrospray ionization – ESI), ion hóa hóa học ở áp suất khí quyển (atmospheric-pressure chemical ionization – APCI), ion hóa bắn phá nguyên tử nhanh (fast-atom bombardment – FAB). Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng kỹ thuật ion hóa phun điện tử (ESI) để ion hóa chất nghiên cứu. Ion hóa phun điện tử – ESI Kĩ thuật này chuyển hóa các ion từ dung dịch lỏng thành các ion ở dạng khí. Dung dịch mẫu được dẫn vào vùng có trường điện từ mạnh được duy trì ở hiệu điện thế cao 4kV. Tại đây, dung dịch mẫu bị chuyển thành các giọt nhỏ tích điện và được hút tĩnh điện tới lối vào của thiết bị phân tích khối phổ. Các giọt nhỏ trước khi vào thiết bị phân tích khối phổ sẽ được kết hợp với dòng khí khô để làm bay hơi dung môi. Có 2 chế độ bắn phá: bắn phá với chế độ ion dương và ion âm. 19 Hình 1.3. Kĩ thuật ESI bắn phá với chế độ ion dương Đây là kĩ thuật ion hóa mềm, có độ nhạy cao. Kĩ thuật này ứng dụng phân tích các chất không phân cực như: protein, peptit, cacbonhydrat, nucleotit, polyetilen glycocol,... và các chất phân cực có khối lượng phân tử nhỏ. Ion hóa hóa học ở áp suất khí quyển – APCI Đây cũng là một kĩ thuật ion hóa mềm. APCI được sử dụng để phân tích các chất có khối lượng phân tử trung bình. Kĩ thuật này có thể bắn phá ở 2 chế độ: ion âm và ion dương. Hình 1.4. Kĩ thuật APCI bắn phá với chế độ ion dương Chất phân tích và dung môi ở dạng lỏng được chuyển thành các giọt nhỏ rồi hóa hơi ở nhiệt độ cao khoảng 500C. Một điện thế cao từ 3 – 5kV tạo ra các 20