Định lượng dư lượng ĐT và HCH trong bùn bằng kĩ thuật sắc kí khí cột mao quản và detector bắt giữ điện tử (GC-ECD)

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2013, Vol. 58, No. 10, pp. 20-27 ĐỊNH LƯỢNG DƯ LƯỢNG DDT VÀ HCH TRONG BÙN BẰNG KĨ THUẬT SẮC KÍ KHÍ CỘT MAO QUẢN VÀ DETECTOR BẮT GIỮ ĐIỆN TỬ (GC-ECD) Đào Đình Thuần1, Đặng Đức Nhận2 và Đào Văn Bảy3 1Khoa Môi trường, Trường Đại học Mỏ Địa chất 2Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam 3Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Dichloro-Diphenyl Trichloroethan (DDT) và hexachlorohexan (HCH) là hai trong số 13 nhóm các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong môi trường (POP). Bài báo trình bày quy trình định lượng DDT bằng sắc kí khí cột mao quản với detector bắt giữ điện tử (GC-ECD). Quy trình bao gồm: Phương pháp đánh giá giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ), độ chính xác của quy trình; Phương pháp xử lí mẫu và định lượng dư lượng hai nhóm DDT và HCH. Quy trình đã được áp dụng phân tích định lượng các đồng phân của DDT và HCH trong các mẫu bùn thu góp từ 12 địa điểm khác nhau trên địa bàn thành phố Đà Nẵng vào tháng 3 năm 2011. Kết quả nghiên cứu cho thấy DDT hiện vẫn đang được sử dụng trong các khu đông dân cư tại đây và ở ven biển Đà Nẵng, hàm lượng HCH và DDT trong sa lắng ngang mức hàm lượng của các chất ô nhiễm trong môi trường tương tự của khu vực Đông Nam Á. Từ khóa:Dichloro-diphenyl trichloroethane, Hexachlorohexane, sắc kí khí cột mao quản, detector bắt giữ điện tử. 1. Introduction Dichloro-Diphenyl Trichloroethane (DDT) và Hexachlorohexan (HCH) là hai trong số 13 nhóm các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong môi trường (POP) đã được Công ước Stockholm 2001 cấm sản xuất và sử dụng trên phạm vi toàn cầu [1]. Chủ tịch nước CHXHCNViệt Nam đã kí phê chuẩn tham gia Công ước ngày 22/7/2002. POPs là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy vì thời gian bán phân hủy của chúng trong môi trường thường là hàng trăm năm trở lên. POPs có mức chlo hóa cao, mức phân cực rất thấp nên độ hòa tan trong nước rất kém nhưng tan rất tốt vào dung môi hữu cơ. Hằng số phân bố POPs giữa nước và octanol rất cao, từ 106 trở lên. Chính vì vậy, POPs tan tốt trong lipit và đây Ngày nhận bài: 22/11/2013. Ngày nhận đăng: 26/12/ 2013. Tác giả liên lạc: Đào Văn Bảy, địa chỉ E-mail: daobaydhsphn@yahoo.com 20 Định lượng dư lượng DDT và HCN trong bùn bằng kĩ thuật sắc kí khí cột mao quản... chính là nguyên nhân để POPs được nhân lên theo chuỗi thức ăn và tích tụ trong mô mỡ của cơ thể sống, trong đó có con người. POPs làm suy giảm khả năng tăng đàn ở chim vì vỏ trứng bị mỏng đi khi chim mẹ bị ô nhiễm POPs [2]. Có rất nhiều bằng chứng khẳng định POPs là tác nhân gây ung thư [3, 4]. Đối với con người, các bà mẹ mang thai nếu bị ô nhiễm POP thì các chất POP sẽ di chuyển theo dạ con tới bào thai [5, 6]. Sau khi sinh nở các chất POP sẽ truyền nhiều hơn vào cơ thể con qua sữa mẹ [7]. Tên hóa học theo danh điển IUPAC của DDT là Dichloro-Diphenyl-Trichloroethan. DDT là loại thuốc diệt côn trùng được sử dụng để diệt muỗi anophen, loài côn trùng trung chuyển virus sốt rét trong những năm 60 của thế kỉ trước. Sản phẩm DDT dùng làm thuốc diệt muỗi là p,p’-Dichloro-Diphenyl-Trichloroethan (p,p’-DDT) nhưng trong môi trường, dưới tác động của ánh sáng và độ ẩm đồng phân này dần chuyển sang p,p’-Dichloro- Diphenyl Dichloroethane (p,p’-DDD), p,p’-Dichloro-Diphenyl-Ethylene (p,p’-DDE) và tương ứng là các đồng phân o,p-DDT, o,p-DDD và o,p-DDE. Hexachlorohexan (HCH) cũng là thuốc diệt côn trùng có tên thương mại là 666. HCH kĩ thuật bao gồm ba đồng phân là α, β và γ, nhưng chỉ có đồng phân γ-HCH (lindane) là có tính diệt côn trùng. Hiện nay Trung Quốc và Ấn Độ là hai nước vẫn tiếp tục sản xuất HCH kĩ thuật (Trung Quốc) và DDT (Ấn Độ) để xuất khẩu sang châu Phi [8]. Dư lượng POPs trong môi trường được phân tích bằng hai phương pháp, đó là sắc kí khí cột mao quản với detector bắt giữ điện tử (GC-ECD) và sắc kí khí với detector khối phổ (GC-MS). Một số phóng thí nghiệm tiên tiến trên thế giới thường ghép detector MS sau detector ECD trên cùng một hệ GC. Bài báo này trình bày quy trình phân tích dư lượng DDT và HCH trong các mẫu bùn bằng phương pháp GC-ECD. Quy trình bao gồm: Phương pháp đánh giá giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ), độ chính xác của quy trình; Phương pháp xử lí mẫu và định lượng hàm lượng dư lượng hai nhóm DDT và HCH. Quy trình đã được áp dụng phân tích định lượng các đồng phân của DDT và HCH trong các mẫu bùn thu góp từ 12 địa điểm khác nhau trên địa bàn thành phố Đà Nẵng vào tháng 3 năm 2011. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Thực nghiệm * Hóa chất: Trong nghiên cứu này đã sử dụng n-hexan (C6H6) và dichloromethan (CH2Cl2) loại tinh khiết dùng để phân tích dư lượng thuốc trừ sâu (Pesticide grade, PG) của hãng Prolabo (Pháp). Dung môi n-hexan dùng để chiết DDT và HCH từ mẫu bùn, dichloromethan cùng với n-hexan dùng để rửa giải tách nhóm các đồng phân sau khi đã làm sạch mẫu chiết. Bột đồng được điều chế từ CuSO4.5H2O bằng phản ứng khử với bột kẽm. Sử dụng Cu để khử các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh chiết cùng với DDT và HCH từ mẫu bùn. Loại bỏ các hợp chất hữu cơ lưu huỳnh là cần thiết để giảm mức đường nền, tức là làm tăng độ nhạy của phương pháp. Khí nitơ loại tinh khiết 99,99 của hãng Messe (Đức) dùng để cô làm giàu mẫu bằng cách thổi khí nhẹ nhàng trên bề mặt ống đựng mẫu trong dung môi 21 Đào Đình Thuần, Đặng Đức Nhận và Đào Văn Bảy n-hexan. Bột Florisil (hỗn hợp oxide magiê và silic) loại PG được sử dụng để phân nhóm hỗn hợp các POPs chiết cùng với n-hexan từ mẫu bùn. Phân nhóm các POPs là cần thiết để tránh không bị chồng đỉnh pic các đồng phân của một hợp chất hữu cơ. * Thiết bị phân tích: Thiết bị phân tích dư lượng các DDT và HCH là máy sắc kí khí với detector bắt giữa điện tử (GC-ECD) 3800 của hãng Varian (Mỹ). Cột sắc kí là cột mao quản dài 30 m có đường kính trong 0,2 mm và thành bên trong cột được tráng một lớp dầu silicon dầy 0,2 µm. * Phương pháp định lượng: Trong nghiên cứu này phương pháp nội chuẩn được áp dụng để định lượng các hợp chất phân tích. 2,3,5-Trichlorobiphenyl (2,3,5-TCB) và ϵ-HCH được sử dụng làm hai chất nội chuẩn trong phân tích DDT và HCH vì hai hợp chất này trong điều kiện tổng hợp công nghiệp không có trong sản phẩm của PCBs cũng như HCH kĩ thuật và do vậy không có trong môi trường. Hàm lượng chất cần phân tích (mm, ng.g−1) sau khi đã sắc kí mẫu có diện tích đỉnh pic là Sm được tính theo theo công thức: mm = k.Sm. SIS n (1) trong đó mm, nIS, Sm và SIS tương ứng là hàm lượng (ng.g−1) và diện tích đỉnh pic của chất cần phân tích và chất nội chuẩn trong mẫu. * Chế độ sắc kí: Chế độ làm việc của hệ thiết bị như sau: - Nhiệt độ buồng hóa hơi: 250 ◦C; Nhiệt độ buồng detector: 290 ◦C; - Tốc độ dòng khí mang (N2): cố định là 1,2 ml/phút; Tốc độ dòng khí bổ trợ (N2): 25 ml/phút; - Chương trình tự điều chỉnh mức không của đường nền. Chế độ sắc kí như sau: - Giữ ở nhiệt độ 65 ◦C trong vòng 1 phút; - Tăng nhiệt độ buồng cột với tốc độ: 3 ◦C/phút đến nhiệt độ 250 ◦C; - Giữ ở nhiệt độ 250 ◦C trong thời gian 7 phút. 2.2. Kết quả và thảo luận 2.2.1. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp GC-ECD Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của phương pháp được định nghĩa là [10]: LOD = 3, 33.(σ/s)vLOQ = LOQ = 10.(σ/s) (2) trong đó σ là độ lặp lại của mỗi giá trị hàm lượng chất cần phân tích. 22 Định lượng dư lượng DDT và HCN trong bùn bằng kĩ thuật sắc kí khí cột mao quản... LOD và LOQ của thiết bị GC-ECD 3800 được đánh giá bằng phân tích dung dịch n-hexan chứa 2,3,5-TCB có hàm lượng khác nhau, thay đổi từ 10 đến 70 ng.g−1. Bảng 1 trình bày các số liệu liên quan đến phép đánh giá LOD và LOQ của thiết bị. Bảng 1. So sánh kết quả phân tích và giá trị nồng độ chất chuẩn để đánh giá giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOD) của thiết bị GC-ECD 3800 [TCB]chuẩn Kết quả phân tích Độ lệch chuẩn σ ng.g−1 (Giá trị trung bình, ng.g−1) ng.g−1 10 11,15 3,65 20 19,57 2,6 30 30,34 3,11 40 41,19 2,17 50 49,78 3,67 60 63,23 3,31 70 73,46 2,25 Trung bình 3,27 Độ lệch chuẩn trung bình của các giá trị hàm lượng chuẩn là 3,27 ng.g−1 (Bảng 2). Như vậy: LOD = 3  3,27  10 ng.g−1 hay ppb và LOQ = 10  3,27  33 ng.g−1 hay ppb 2.2.2. Độ chính xác của quy trình phân tích Độ chính xác của phương pháp được kiểm chứng thông qua tham gia phân tích so sánh quốc tế với một mẫu sa lắng lấy từ vịnh Vernice (Italia) kí hiệu là IAEA-459. Mẫu này do Phòng thí nghiệm Môi trường biển của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) ở Monaco chuẩn bị và phân phối cho 91 phòng thí nghiệm toàn cầu cùng phân tích thành phần các hợp chất POPs. Quy trình phân tích mẫu bùn được mô tả trên Hình 1. Trong phân tích mẫu IAEA- 459, quy trình được bắt đầu từ khâu cho thêm nội chuẩn và chiết. Hình 1. Sơ đồ xử lí mẫu bùn phân tích dư lượng POPs bằng kĩ thuật GC-ECD 23 Đào Đình Thuần, Đặng Đức Nhận và Đào Văn Bảy Bảng 2 trình bày so sánh kết quả phân tích mẫu IAEA-459 của Việt Nam và kết quả chung của tất cả 91 phòng thí nghiệm tham gia phân tích so sánh quốc tế đã được Phòng thí nghiệm môi trường biển Monaco xử lí và thông báo. Bảng 2. So sánh kết quả phân tích định lượng lindane và các đồng phân của DDT trong mẫu IAEA-459 Hợp chất Hàm lượng, ng/g (ppb) phân tích Kết quả của PTN Hà Nội Kết quả quốc tế Lindane 2,98  1,13 3,78  1,63 p,p’-DDE 4,27  0,68 3,57  1,62 p,p’-DDD 2,94  0,14 4,52  0,89 p,p’-DDT 6,07  0,17 5,16  3,25 o,p’-DDE 1,16  0,13 0,42  1,07 o,p-DDD 0,88  0,11 0,27  0,53 o,p-DDT 1,48  0,34 0,75  0,58 Tỷ số Z được định nghĩa là: Z score = Xi X σ (3) trong đóXi là giá trị hàm lượng của chất phân tích của từng phòng thí nghiệm nhận được; X là giá trị hàm lượng chất phân tích tính trung bình của tất cả các kết quả do các phòng thí nghiệm tham gia phép phân tích thông báo và σ là độ lệch chuẩn của các số liệu phân tích do các phòng thí nghiệm thông báo. Tiêu chí để đánh giá độ đúng kết quả phân tích của phòng thí nghiệm là tỷ số Z phải nhỏ hơn 3. Bảng 2 cho thấy các kết quả phân tích của Việt Nam đều có giá trị tỉ số Z < 3. 2.2.3. Hàm lượng dư lượng một số hợp chất POP trong mẫu bùn khu vực thành phố Đà Nẵng Hình 2 trình bày sắc đồ phân đoạn I và phân đoạn II thu được bằng phương pháp sắc kí cột nhồi Florisil hỗn hợp dung dịch n-hexan sau khi chiết và khử hữu cơ lưu huỳnh trong một mẫu bùn thu gom ở thành phố Đà Nẵng trong năm 2011 (theo quy trình được trình bày ở Hình 1). Tổng số có 12 mẫu bùn được thu gom trên địa bàn thành phố Đà Nẵng vào mùa khô (tháng 3/2011) đại diện cho các khu vực canh tác nông nghiệp (bùn ruộng lúa), công nghiệp (bùn từ kênh dẫn nước thải từ các khu công nghiệp), khu dân cư, khu bãi biển. Bảng 3 trình bày hàm lượng dư lượng của DDT và HCH cùng với các sản phẩm phân hủy môi trường của chúng trong các mẫu nghiên cứu. 24 Định lượng dư lượng DDT và HCN trong bùn bằng kĩ thuật sắc kí khí cột mao quản... Hình 2. Sắc đồ phân đoạn I (a) chứa 2,3,5-TCB nội chuẩn và các đồng phân o,p-DDE và p,p’-DDE cùng hexachlorobenzene (HCB), heptachlor, aldrin và các đồng phân của PCBs, phân đoạn II (b) chứa -HCH nội chuẩn, lindane, -HCH, o,p-DDD, p,p’-DDD, o,p-DDT và p,p’-DDT Bảng 3. Hàm lượng hai đồng phân β, γ-HCH và sáu đồng phân của DDT trong 12 mẫu bùn thu gom từ thành phố Đà Nẵng, tháng 3/2012 (Đơn vị: ng.g−1 bùn khô) Hợp chất Kí hiệu mẫu phân tích BĐN- BĐN- BĐN- BĐN- BĐN- BĐN- BĐN- BĐN- BĐN- BĐN- BĐN- BĐN- -01 -02 -03 -04 -05 -06 -07 -08 -09 -10 -11 -12 -HCH (lindane) 25,73 67,92 108,71 33,62 9,02 44,71 29,65 5,35 11,27 12,26 12,56 8,26 -HCH 13,25 13,27 9,35 10,89 13,83 17,95 13,79 10,45 9,58 9,32 8,82 8,31 o,p-DDE 9,72 10,12 14,64 11,79 12,52 11,37 53,93 10,27 9,46 13,58 8,55 8,22 o,p-DDD 9,32 9,28 9,81 15,50 54,19 19,73 50,32 13,53 12,52 8,15 11,68 8,74 o,p-DDT 9,17 8,43 9,91 12,73 59,26 26,74 10,45 9,16 11,04 10,79 10,18 8,23 p,p’-DDE 23,53 26,68 37,17 17,77 16,22 11,70 121,52 12,66 12,72 12,56 15,67 11,69 p,p’-DDD 24,61 20,15 27,85 14,99 35,94 23,78 101,61 15,23 15,03 9,51 14,26 10,73 p,p’-DDT 21,43 17,21 19,73 14,35 145,68 30,91 184,67 10,89 8,14 8,42 9,13 10,61 (HCH+DDT) 128,76 168,06 235,17 131,64 346,66 186,89 665,94 87,54 89,76 84,59 87,85 63,79 HCH 38,98 81,19 118,06 44,51 22,85 62,66 43,44 15,80 20,85 21,58 18,38 13,57 DDT 89,78 86,87 117,11 87,13 323,81 124,23 622,50 71,74 68,91 63,01 69,47 50,22 p,p’- DDT/DDT 0,238 0,198 0,168 0,164 0,450 0,249 0,457 0,152 0,118 0,134 0,131 0,211 Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng DDT trong bùn của các kênh thoát nước từ khu vực đông dân cư (BĐN05 và BĐN07) là ngang bằng với hàm lượng DDT trong bùn từ các kênh tiêu ở Hà Nội [9]. DDT hiện vẫn đang được nhân dân thành phố sử dụng vì tỉ lệ p,p’-DDT/σDDT > 30% (Bảng 3). Các tác giả [11] cho biết nếu tỉ lệ p,p’-DDT/σDDT > 30% thì DDT mới được thải vào môi trường. Nhóm nghiên cứu [9] cũng cho rằng DDT hiện vẫn đang được sử dụng với mục đích diệt muỗi, côn trùng trong nhà dưới dạng các công thức bình xịt thịnh hành trên thị trường thủ đô. Các sản phẩm này phần nhiều là nhập lậu và không được kiểm soát chất lượng. Hàm lượng DDT và HCH trong sa lắng ven biển thành phố Đà Nẵng là tương đương hàm lượng các hợp chất này trong đối tượng tương tự ở các nước trong khu vực Đông Nam 25 Đào Đình Thuần, Đặng Đức Nhận và Đào Văn Bảy Á và nằm trong khoảng 50 - 100 ng.g−1 bùn khô [12]. 3. Kết luận Qua nghiên cứu chúng tôi rút ra những kết luận sau: 1-Phương pháp sắc kí khí với detector bắt giữa điện tử (GC-ECD) cùng quy trình chiết Soxhlet với dung môi n-hexan là phù hợp để phân tích dư lượng các nhóm POPs. Giá trị LOD của phương pháp là 10 - 11 ng.g−1 và LOQ là 30 - 33 ng.g−1. Độ chính xác của phương pháp đáp ứng được yêu cầu phân tích dư lượng POPs trong sa lắng có hàm lượng ở mức ppb. 2-Quy trình phân tích đã được áp dụng để phân tích hàm lượng nhóm DDT và HCH trong bùn thu gom trên địa bàn thành phố Đà Nẵng. Các kết quả cho thấy DDT hiện vẫn đang sử dụng trong các khu đông dân cư. 3-Trong môi trường ven biển thành phố Đà Nẵng, hàm lượng HCH và DDT trong sa lắng ngang mức hàm lượng của các chất ô nhiễm trong môi trường tương tự của khu vực Đông Nam Á. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] The Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants, 2001. Lấy từ internet default.aspx ngày 15/5/2013. [2] Laws E.A., 2000. Aquatic Pollution: An introductory text (3rd Ed.). John Wil- ley&Sons N.Y. ISBN: 0-471-34875-9. [3] Snedecker S.M., 2001. Pesticides and breast cancer risk: a review of DDT, DDE and dieldrin. Environ. Health Perspect. 109: 35-47. [4] Garabrant D. H., Held J., Langholz B., Peters J. M., and Mack J. T., 1992. DDT and related compounds and risk of pancreatic cancer. Journal of National Cancer Institute, 84/10: pp. 764-771. [5] Longnecker M. P., Klebanoff M. A., Zhou H., Brock J. W., 2001. Association be- tween maternal serum concentration of the DDT metabolite DDE and pre-term and small-for-gestational-age babies at birth. The Lancet, 358: 110-114. [6] Altshul L., C. Chen, L. Fu, W.Guang, A. Huang , S. Korrick, M. Perry, S. A. Ven- ners, X. Wang, and X. Xu, 2005. Preconception serum DDT and pregnancy loss: A Prospective study using a biomarker of pregnancy. American Journal of Epidemio- logical Advance Access, Aug., Vol. 162, No. 8. [7] Bouwman H., Becker P. J., Cooppan R. M., và Reinecke A. J., 1992. Sự di chuyển của DDT trong kiểm soát bệnh sốt rét đối với trẻ sơ sinh qua sữa mẹ. Bản tin của tổ chức Y tế thế giới 70(2):241-50. [8] Li S., 1991. Pesticides: Environmental pollution and human health in China. Chem- istry, Agriculture and the Environment. In Richardson M.L. (Ed): The Royal Society of Chemistry. London, pp.389-409. 26 Định lượng dư lượng DDT và HCN trong bùn bằng kĩ thuật sắc kí khí cột mao quản... [9] Dang Duc Nhan, F. P. Carvalho, NguyenManh Am, Nguyen Quoc Tuan, Nguyen Thi Hai Yen, J.-P. Villeneuve and C. Cattini, 2001. Chlorinated pesticides and PCBs in sediments and molluscs from freshwater canals in the Hanoi region. Environmental Pollution, 112: 311-320. [10] Boqué R., Vander Heyden Y., 2009. The Concept of Detection. LCGC Europe, v.22/2. [11] Phuong P.K., C.P.N. Son, J. Sauvain, J. Tarradellas, 1998. Contamination by PCBs, DDTs, and heavy metals in sediments of Ho Chi Minh City’s canals, Vietnam. Bul- letin of Environmental Contamination and Toxicology, 60: 347-354. [12] Monirith I., D. Ueno, S. Takahashi, H. Nakata, A. Sudaryanto, A. Subramanian, S. Karuppiah, A. Ismail, A. Muchtar, J. Zheng, B.J. Richardson, M.Prudente, N.D. Hue, T.S. Tana, A.V. Tkalin, S. Tanabe, 2003. Asia-Pacific mussel watch: monitoring contamination of persistent organochlorine compounds in coastal waters of Asian countries. Marine Pollution Bulletin, 46: 281-300. ABSTRACT Quantitation of residues of DDT and HCH using gas chromatography with an electron capture detector (GC-ECD) In this paper, a process for quantitation of residues of DDT (Dichloro-diphenyl trichloroethane) and its isomers, and HCH (Hexachlorohexane) in sediment was described. DDT and HCH are among the 13 groups of persistent organic pollutants (POPs) which must be phased-out of use and production according to the 2001 Stockholm Convention. The analytical proce- dure includes Soxhlet extraction with n-hexane, purification and fractionation by Florisil packed column chromatography followed by quantitation using gas-chromatography with an electron capture detector (GC-ECD). The limit of detection (LOD) and limit of quan- tification (LOQ) of the process were estimated to be as low as 10 - 11 and 30 - 33 ng.g−1 (ppb), respectively. The accuracy of the process was checked through the participation in an Inter-laboratory comparison exercise with the IAEA-459 sediment sample. The Z- score for all the analyses was  3 indicating that the lab of Viet Nam achieve acceptable accuracy in the test. This process was applied to quantitative analyse residues of p,p’- DDT, DDD, DDE, o,p-DDT, DDD, DDE, α-HCH and γ-HCH in sediment taken from 12 different locations within the city of Da Nang in March 2011. 27