Полициклические ароматические углеводороды: проведение контроля окружающей среды

«Полициклические ароматические углеводороды: проведение контроля окружающей среды»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Полициклические ароматические углеводороды

Литература

ВВЕДЕНИЕ

В условиях ускоренного научно-технического развития и бурного роста промышленного производства охрана окружающей среды стала одной из важнейших проблем современности, решение которой неразрывно связано с охраной здоровья нынешнего и будущего поколений людей. Это вызвано тем, что по мере развития производительных сил общества, роста масштабов использования природных ресурсов происходит все большее загрязнение окружающей среды отходами производства, ухудшается качество среды обитания человека и других живых организмов.

На современном этапе забота о сохранении природы заключается не только в разработке и соблюдении законодательств об охране Земли и ее недр, лесов и вод, атмосферного воздуха, животного и растительного мира, но и в познании закономерностей причинно-следственных связей между различными видами человеческой деятельности и изменениями, происходящими в природной среде.

Необходимы данные о том, как ведут себя, какие испытывают превращения, к каким последствиям приводят те или иные химические вещества, попадающие в биосферу. От констатации происходящих в природе изменений необходимо переходить к их прогнозированию и управлению качеством среды обитания. При этом традиционные методы физико-химического и биологического анализов служат подспорьем в оценке состояния и динамических характеристик природных экосистем.

Актуальность. Увеличение масштабов и ассортимента применения пестицидов в сельскохозяйственной практике продолжает стимулировать разработку и использование методов аналитической химии малых концентраций токсических органических веществ для анализа объектов окружающей среды, сельскохозяйственного сырья, кормов и продуктов питания. Определение остатков пестицидов в этих средах не имеет самостоятельного значения, но является необходимой частью общей информации для достижения адекватной оценки риска, связанного с применением пестицидов. Оценка риска в прошлом была связана главным образом с безопасностью человека, и по этой причине определение остатков пестицидов было сосредоточено, главным образом, на сельскохозяйственном сырье и продуктах питания. В последние годы увеличение внимания к влиянию пестицидов не только на человека, но и на его окружение, требует значительно большей информации по остаточным количествам не только применяемых пестицидов, но и продуктов их разрушения и метаболизма в различных средах. Изучение остатков пестицидов теперь включает все виды сельскохозяйственного сырья, кормов и продуктов питания, воду, воздух и почву. Это в сочетании с внедрением в сельскохозяйственные технологии пестицидных препаратов с низкими нормами расхода (<10 г/га) требует принципиально новых подходов и методов для идентификации и количественного определения остатков пестицидов в различных средах.

ГЛАВА 1. ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (ПАУ)

Среди множества токсичных веществ, образующихся при производстве энергии сжиганием ископаемых видов топлива, производствах химической, нефтехимической, металлургической, целлюлозно-бумажной промышленности, наиболее опасными являются вещества группы ПАУ (полиароматические углеводороды).

Группа ПАУ объединяет вещества, для которых характерно наличие в химической структуре трех и более конденсированных бензольных колец. Простейшие вещества из группы ПАУ - антрацен и фенантрен. Эти вещества не обладают канцерогенной (мутагенной) токсичностью, присущей другим ПАУ, какими являются холантрен, перилен, бенз(а)пирен, дибензпирен. На фоне их токсичности как нетоксичные квалифицируются и весьма похожие по структуре бензперилен, пирен, флуорантен.

Малотоксичные ПАУ

Высококанцерогенные ПАУ

Образуются ПАУ в процессах сгорания нефтепродуктов, угля, дерева, мусора, пищи, табака, и чем ниже температура в устройстве для сжигания, тем больше образуется ПАУ. Относительно малые количества бенз(а)пирена обнаружены в асфальте. Вместе с другими продуктами сгорания ПАУ поступают в воздух. При комнатной температуре все ПАУ - твердые кристаллические вещества. Температуры их плавления близки к 200 °С, а давление насыщенных паров очень мало. При охлаждении горячих газов, содержащих ПАУ, эти вещества конденсируются и оседают в зоне выбросов. На расстоянии нескольких километров от угольной ТЭС поверхность почвы загрязнена ПАУ. Но большая часть ПАУ уносится на дальние расстояния в виде аэрозолей. Прекрасным адсорбентом для ПАУ являются сажевые частицы. На 1 см² сажевой поверхности могут разместиться ~ 10¹⁴ молекул ПАУ. Об относительном вкладе разных источников можно судить по данным о выбросах бенз(а)пирена (в т/год) в США:

Вклад всех курильщиков США в общее производство бенз(а)пирена невелик - 0,05 т/год. Но мнение о малозначимости этого количества сменится на противоположное на основе данных о локальных концентрациях бенз(а)пирена:

Содержатся ПАУ и в питьевой воде. Содержание бенз(а)пирена в питьевой воде составляет 0,3-2,0 нг/л. В атмосфере ПАУ довольно устойчивы. Их постепенная трансформация в иные продукты происходит при взаимодействии с озоном (с образованием полиядерных хинонов) и диоксидом азота (продукты - нитробенз(а)пирены, характерные высокой мутагенной активностью). ПАУ - типичные экотоксины. Сложность защиты окружающей среды от ПАУ связана с малостью концентраций этих веществ.

Токсические свойства бенз(а)пирена изучены на мышах: обнаружено подавление популяции за счет гибели при рождении и уменьшения веса новорожденных животных. Показано, что возникновение раковых заболеваний происходит и при ингаляции, и при введении бенз(а)пирена с пищей, а также при контакте с кожей. Однако эти результаты получены при дозах бенз(а)пирена в сотни и тысячи раз больших, чем получаемые людьми из окружающей среды. Из организма бенз(а)пирен частично выводится в неизмененном виде, а частично окисляется, давая производные фенольного и хинонного типа. Некоторым из этих продуктов также присуща мутагенная активность.1, 2-6

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПАУ В ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Методы определения ПАУ в объектах окружающей среды14

Развитие химико-аналитической аппаратуры не только не снимает проблему качества выполняемых измерений, но, напротив, предъявляет все более высокие требования во всех аспектах проведения измерений. Это относится к процедурам отбора проб, пробоподготовки и, собственно постановки измерений. Особенно это касается выполнения анализов сильно токсичных соединений таких как, например, полиядерные ароматические углеводороды (ПАУ). Многолетние токсикологические исследования позволили обозначить соединения группы ПАУ, которые необходимо постоянно контролировать в окружающей среде, как с точки зрения их собственной токсичности, так и с точки зрения наиболее вероятного поступления в окружающую среду. агентство по охране окружающей среды США (ЕРА US) рекомендует контролировать 16 соединений из группы ПАУ в пробах окружающей среды. нормы, разрабатываемые в рамках ISO и EC, предполагают дополнительное расширение перечня определяемых соединений. Следует отметить, что в России в настоящее время нормируется только одно соединение, относящееся к этому классу - бенз/а/пирен. Очевидно, что со временем перечень контролируемых соединений будет расширяться, поэтому важно заранее проанализировать все возможности, предоставляемые современной аппаратурой, с тем, чтобы правильно подойти к проблеме выбора метода анализа и соответствующего прибора.

Как правило для определения ПАУ используются методы газовой хроматографии (ГХ) и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), разделение основных 16 ПАУ, достаточное для количественного анализа, достигается применением либо капиллярных колонок в газовой хроматографии, либо высокоэффективных колонок применяемых в ВЭЖХ. Необходимо помнить, что колонка, хорошо разделяющая калибровочные смеси шестнадцати ПАУ не гарантирует, что они также хорошо будут разделяться на фоне сопутствующих органических соединений в исследуемых пробах.

В целях упрощения анализа, а также для достижения высокого качества получаемых результатов, большинство аналитических процедур содержит этап предварительного выделения (сепарации) ПАУ среди иных групп сопутствующих соединений в пробах. Чаще всего в этих целях используются методы жидкостной хроматографии низкого давления в системе жидкость-твердое тело или жидкость-жидкость с использованием механизмов адсорбции, например с использованием силикагеля или окиси алюминия, иногда используются смешанные механизмы, например адсорбции и исключения с применением cефадексов.

Использование предварительной очистки проб позволяет при определении ПАУ избежать влияния:

· полностью неполярных соединений, таких, как алифатические углеводороды;

· умеренно и сильно полярных соединений, например, фталанов, фенолов, многоатомных спиртов, кислот;

· высокомолекулярных соединений таких, как, например, смолы.

В полученных очищенных экстрактах могут содержаться алкилпроизводные ПАУ, бифенилы, ароматические производные дибензодиоксана и дибензофурана, а также много иных соединений. В связи с тем, что разделительный потенциал колонок, используемых в ВЭЖХ и капиллярных колонок, используемых в газовой хроматографии, ограничен, достоверность идентификации соединений может быть дополнительно повышена за счет использования высокоселективных детекторов. Детекторы также должны обеспечивать определение анализируемых соединений с достаточной чувствительностью.

При использовании метода газовой хроматографии в качестве детектора чаще всего используется пламенно-ионизационный детектор (ПИД) или масс-спектрометр (МС). Пламенно-ионизационный детектор является неселективным детектором и может служить только для количественных измерений после идентификации соединения другим, независимым методом. Масс-спектрометр, сопряженный с газовым хроматографом, дает качественную информацию (масс-спектр) для исследуемой субстанции. Однако в большом количестве случаев специфичность этой информации ограничена вследствие совпадения масс некоторых соединений, различающихся строением и токсичностью.

В высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) используются главным образом два типа детекторов: флуориметрический детектор или спектрофотометрический детектор с фотодиодной линейкой. Предел обнаружения ПАУ при флуориметрическом детектировании очень низкий, что делает этот метод особенно пригодным для определения следовых количеств полиароматических соединений. Однако классические флуориметрические детекторы практически не дают информации о строении исследуемого соединения. Современные конструкции делают возможным регистрацию спектров флуоресценции, которые характеристичны для индивидуальных соединений, но они пока не получили широкого распространения в практике рутинных измерений. Спектрофотометрический детектор с фотодиодной линейкой (ФДЛ) дает возможность регистрации спектров поглощения в УФ- и видимом спектральном диапазоне, эти спектры могут использоваться для идентификации. Аналогичная информация может быть получена с использованием быстросканирующих детекторов.

При выборе аналитической техники, предназначенной для разделения, идентификации и количественного анализа упомянутых ПАУ необходимо учитывать следующие условия:

· уровень определяемых содержаний в исследуемых пробах;

· количество сопутствующих субстанций;

· применяемая аналитическая процедура (методика выполнения измерений);

· возможности серийной аппаратуры.

В таблице представлены основные характеристики систем, предназначенных для анализа ПАУ:

Характеристики систем ГХ-МС, ГХ-ПИД, ВЭЖХ-флу и ВЭЖХ-ФДЛ, используемых при анализе ПАУ

С точки зрения разделительного потенциала наиболее выгодно использование метода капиллярной газовой хроматографии. Количество соединений, которое теоретически может быть разделено в единицу времени в капиллярной газовой хроматографии в 5, а может быть и в 10 раз больше, чем с использованием ВЭЖХ. Это не означает однозначного преимущества анализа методом ГХ над ВЭЖХ так, например, разделение таких пар соединений как бензо/б/флуорантрен-бензо/к/флуорантрен, а также (1.2.3-с.д)пирен-дибензо(а,х)антрацен легче осуществляются методом ВЭЖХ, нежели капиллярной ГХ.

Количество вещества, вводимого в детектор МС или ФДЛ и дающее возможность получения спектров, должно быть как правило, в 5...10 раз выше уровня обнаружения детектора. Спектры получаемые для проб природных объектов могут быть дополнительно деформированы в зависимости от количества и состава сопутствующих субстанций.

Масс-спектры ПАУ с данной массой молекулы мало характеристичны. На рис. 1, представлены масс-спектры трех соединений с массой молекулы 252: бензо/б/флуорантена, бензо/к/флуорантена, а также бензо/а/пирена. Спектры практически идентичны несмотря на то, что соединения принципиально отличаются строением. Идентификация отдельных ПАУ в технике ГХ-МС требует соответствия масс-спектра и времени выхода. Попытка однозначной идентификации соединений, опирающаяся только на масс-спектры, может оказаться ошибочной. В то же время оптические спектры поглощения представленных соединений имеют существенные различия. По-видимому "незначительная" разница в расположении одного кольца наблюдаемая между бензо/б/флуорантеном и бензо/к/флуорантеном сильно влияет на вид спектра поглощения (рис. 2).

Предел обнаружения того или иного соединения в растворе зависит от объема пробы, который может быть введен в систему. В случае стандартных систем ГХ-МС с дозаторами типа сплит-сплитнесс, объем вводимой пробы не превышает 1...2 мкл., в то время как для систем ВЭЖХ количество вводимой пробы составляет от 10 до 20 мкл - отсюда становится понятной разница определительной способности в растворе, а также в степени концентрирования необходимого для определения, например, минимального количества на уровне 1 ppt. Уровень обнаружения системы ГХ-МС может быть повышен за счет управления величиной вводимой пробы при использовании дозаторов делающих возможным ввод пробы с объемом в несколько десятков микролитров например, дозаторов типа PTV.

Неочищенные экстракты ПАУ из природных проб и фракции, содержащие ПАУ после очистки методом колоночной жидкостной хроматографии, как правило, растворяются в известном количестве полярных растворителей например, в метиленхлориде. При использовании техники ВЭЖХ с обращенной фазой, когда проба вводится в полярном растворителе (метанол, ацетонитрил, THF) как правило, конечной является так называемая операция смены растворителя, которая может быть основным источником ошибки. Этих проблем нет в случае газовой хроматографии. Полициклические ароматические соединения являются термически неустойчивыми соединениями и результат их разделения в системах ГХ не всегда адекватен исходному состоянию. В исследованных пробах могут сопутствовать как соединения термически лабильные, так и термически разлагающиеся при повышенной температуре. В случае разложения, протекающего в дозаторе и колонке, могут возникать иные соединения, регистрирующиеся в анализах. В крайних случаях дело может доходить до полного искажения хроматограммы. Эта проблема является главной в газовой хроматографии, где температура дозатора и колонки доходит до 300-350 оС.

Последовательные этапы анализа, а именно экстракция, очистка, концентрирование проб сопровождаются ошибками, влияющими на конечный результат количественных определений. Особенно важный этап - экстракция аналита из матрицы. Изменчивость состава почв, аэрозолей или осадков затрудняет установление однозначных условий экстракции ПАУ этого типа проб и установление однозначного выхода экстракции. Контроль этапа экстракции и других аналитических этапов проводится методом добавок внутреннего стандарта. внутренним стандартом может быть определяемая субстанция либо иная с подобными свойствами.

В случае добавки известного количества определяемой субстанции появляется проблема идентичности отбора и определения нескольких проб при одновременной обработке, состоящая в том, что состав одинаково отобранных и обработанных проб будет адекватен. Во многих случаях выполнение этого постулата невозможно.

Дополнение в качестве эталонной субстанции иной, нежели определяемая требует, чтобы в пробе не присутствовали вещества с тем же временем выхода, что и внутренний стандарт. Для проб сложного состава, как например, почва, сточные воды, промвыбросы выполнение этого условия может быть затруднено, исключая добавки с использованием изотопных образцов. Для однозначного определения изотопного состава добавленного образца желательно одновременное использование масс-спектрометрии.

Все представленные выше методы имеют свои достоинства и недостатки, которые надлежит досконально обдумать перед принятием решения, например о приобретении данной системы, и применении ее для определенного круга исследований.

Принимая во внимание возможности разделения, однозначность качественного анализа, возможность контроля аналитического процесса через соотношение внешнего изотопного спектра, оптимальной техникой для исследования ПАУ будет капиллярная газовая хроматография, сопряженная с масс-спектрометром.

ВЭЖХ с детектором, регистрирующим спектры в УФ и видимой части спектра делает возможным идентификацию исследуемого соединения. Однако вообще-то возможности разделения и идентификации этой аппаратуры значительно ниже, чем у ГХ-МС.

Идентификация ПАУ, основанная только на совпадении времени выхода может быть ошибочной. Таким образом, использование даже очень селективного флуориметрического детектора может приводить к получению неоднозначных результатов.

Использование техники ГХ-ПИД может допускаться только для количественного анализа проб с хорошо известным составом (предварительно установленным при помощи других методов анализа). В сомнительных случаях результаты анализов (ГХ-ПИД) могут быть сравнительно легко оспорены.

Выделение полициклических ароматических углеводородов из образцов почв

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) представляют собой высокомолекулярные органические соединения, основным элементом структуры которых является бензольное кольцо. Известны несколько сотен индивидуальных ПАУ, различающихся по числу бензольных колец и особенностям их присоединения друг к другу. Это кристаллические соединения (за исключением ряда производных нафталина) с высокой температурой плавления и кипения. Растворимость ПАУ в воде сравнительно невелика.

Почвы играют роль своеобразного «депо», куда ПАУ попадают в результате антропогенных выбросов и природных поступлений. Их наличие в почвах может играть индикаторную роль, отражая наличие источника загрязнения. Исследования генезиса, превращений и особенностей поведения ПАУ в почвах, особенно охватывающие широкую гамму этих соединений, пока еще не многочисленны. Буквально единичные публикации посвящены анализу распределения гаммы ПАУ по генетическому профилю почв в связи с почвообразовательными процессами и характером техногенного воздействия на почвенный покров. Между тем система ПАУ-почва очень информативна. С одной стороны, почвы представляют собой достаточно устойчивую среду, в которой можно вполне корректно осуществлять наблюдение за эволюцией состава ПАУ и использовать их как маркеры почвообразовательного процесса. С другой стороны, изучение молекулярного состава данных соединений перспективно для получения информации о путях образования каждого молекулярного типа, особенностях их накопления и распределения в почвах фоновых и техногенных территорий и о функциональном состоянии почв. В этом плане важное диагностическое значение имеет количество ароматических колец в молекуле ПАУ, характер их присоединения, наличие или отсутствие алкильных замещений различной степени сложности в боковых звеньях молекул и др.

ПАУ составляют лишь небольшую часть органического вещества, но определяющую трансформирующую активность среды. Количественное определение полициклической ароматики, и особенно в объектах фонового мониторинга, представляет собой сложную задачу. В отличие от многих других загрязняющих веществ, ПАУ в ходе аналитического определения могут претерпевать определенные изменения. Наибольшее количество и качественное разнообразие ПАУ наблюдается в тех продуктах, органическое вещество которых подвергалось воздействию повышенных температур.

Способы подготовки проб почвы к анализу и техника самого эксперимента должны исключать все виды температурного или какого-либо другого жесткого воздействия. Это особенно важно в случае фоновых концентраций, поскольку жесткие температурные методы обработки биологических объектов могут поставить под сомнение первичность извлеченных из пробы углеводородов. Поэтому не рекомендуется извлекать ПАУ высокотемпературной экстракцией, например, в аппарате Сокслета, поскольку при такой экстракции возможно не только новообразование ПАУ, но и образование смолистоасфальтовых компонентов. Экстракт, как правило, темнеет и дальнейшая работа с ним требует проведения тщательного химического хроматографического разделения, которому обязательно должна предшествовать трудоемкая процедура отделения и отмывания ПАУ от асфальтенов, являющихся хорошими сорбентами определяемых углеводородов. В противном случае результаты хроматографического определения некорректны.

Экстракт получали бестемпературной экстракцией гексаном в сочетании с ультразвуковой обработкой пробы почвы. Установлены оптимальные параметры экстракции: m (почвенной навески) / V (гексана) = 3 г / 5 см3, 90 %-ный выход вещества достигается только после третьей экстракции, продолжительность УЗ-обработки - 10 минут. Полученный экстракт представляет собой многокомпонентную смесь различных ПАУ незамещенного и замещенного характера, а также часто большого количества сопутствующих соединений, которые в почвах фоновых районов по своей массе значительно преобладают над ПАУ.

Для целей выделения фракции ПАУ из экстрактов органического вещества почв, растительных материалов применяют различные виды хроматографического разделения. Главным образом - колоночную и тонкослойную хроматографии и высокоэффективную жидкостную хроматографию. Нами были проведены исследования по разделению экстрактов при помощи тонкослойной и колоночной хроматографий. Для выделения ПАУ из гексанового экстракта выполнено разделение на оксиде алюминия, отделение фракции насыщенных углеводородов (УВ) и полициклических ароматических соединений (фракция F1) от полярных соединений: фталатов, терпенов, сложных эфиров карбоновых кислот, карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов (фракция F2). Отделение аполярной фракции от полярной контролировали хромато-масс-спектрометрически. Фракцию F1 разделяли на колонке с силикагелем на фракции насыщенных УВ (F3) и полициклические ароматические соединения (F4). Фракцию F3 выделяли элюированием н-гексаном, для выделения фракции F4 элюирование продолжали бензолом. Контроль разделения фракций F3 и F4 осуществляли при помощи методов флуориметрии (значительная флуоресценция для F4 и отсутствие флуоресценции для F3) и хромато-масс-спектрометрии.

Была проведена экстракция и выделение ПАУ из горизонтов торфянисто-подзолисто-глееватой почвы, сформированной на крупнопылеватом суглинке (Максимовский стационар Института биологии Коми НЦ УрО РАН (фоновый участок). Фракцию ПАУ исследовали методом флуориметрии. Распределение ПАУ (рис. 3) по профилю торфянисто-подзолисто-глееватой почвы неравномерное. В верхних торфяных горизонтах 01 и 02 относительно высокое содержание полиароматики можно объяснить формированием ПАУ при процессах разложения органического вещества подстилки. Данная почва характеризуется застойно-промывным водным режимом с высоким увлажнением всего профиля. Образующиеся при разложении торфянистой подстилки ПАУ вымываются из органогенных горизонтов и практически равномерно накапливаются в элювиальной толще (А2g). Но в условиях затрудненного стока и высокой плотности элювиальной толщи в профиле торфяно-подзолисто-глееватой почвы наблюдается область повышенного содержания ПАУ в горизонте А2Вg, далее идет резкое уменьшение количества ПАУ до горизонта Сg. Такие особенности распределения ПАУ по профилю объясняются слабой дифференциацией валового и гранулометрического составов торфянисто-подзолисто-глееватой почвы по сравнению с автоморфной подзолистой почвой.

Определение полиароматических углеводородов в объектах окружающей среды методами жидкостной и тонкослойной хроматографии 21

Было определено содержание полиароматических углеводородов (ПАУ), в частности, бенз(а)пирена в снежном покрове. Пробоподготовку осуществляли экстракцией диэтиловым эфиром. Качественный анализ осуществляли методом тонкослойной хроматографии. Пробы наносили на пластину Silufol UV-254 и осуществляли хроматографический анализ в двух системах: система 1 - раствор кофеина в хлороформе; система 2 - смесь циклогексана и н-гексана. Использование системы 1 позволило снизить нижний предел обнаружения.

Количественный анализ осуществляли методом газожидкостной хроматографии (ГЖХ). Исследование проводили на хроматографе «Цвет-500» с пламенно-ионизационным детектором. В качестве сорбента использовали силиконовый каучук SE-54 с нанесенной на него неподвижной фазой OV-101. Анализ проводили в режиме программирования температуры от 200 до 310? С со скоростью 4? С /мин. В качестве газа-носителя использовали азот. Метод позволил определить ПАУ на уровне ПДК.

Определение полициклических углеводородов в сланцевой смоле 22

Сланцевые смолы имеют весьма сложный состав, который слабо изучен. Они содержат множество полициклических ароматических углеводородов (полиаренов), суммарно - до 10%. Известно, что некоторые полиарены являются сильнейшими канцерогенами. Однако содержание индивидуальных полиаренов в производстве или при использовании смол практически не контролируется, так как обычные методики анализа смол включают трудоемкое многоступенчатое отделение неуглеводородных компонентов.

В более простых объектах полиарены определяют, получая квазилинейчатые спектры низкотемпературной люминесценции (НЛ) и измеряя интенсивность соответствующих квазилиний, однако применимость этого метода к смолам проблематична. Так как стандартные образцы смол с известным содержанием полиаренов не выпускаются, то для проверки точности предлагаемых методик сопоставляют результаты анализа одних и тех же проб, полученные разными способами в разных лабораториях. В данном случае исследования проводили параллельно в лаборатории скрининга канцерогенов ОНЦ АМН (Москва) и в Омском госуниверситете без обмена данными до окончания работы. Одновременно разрабатывались два варианта люминесцентно-спектрального метода, отличающиеся способом возбуждения НЛ пробы и принципом отбора аналитических линий в спектрах испускания.

В методике А, первоначально разработанной для аэрозолей , искомые полиарены возбуждали поочередно УФ-светом Хе-лампы на длинах волн, соответствующих максимумам в их спектрах поглощения. При этом записывали узкие участки спектра испускания НЛ, чтобы в них попали 1-2 наиболее интенсивные квазилинии определяемого соединения (в виде пиков на регистрограмме). При идентификации учитывали положение, форму и относительную интенсивность пиков.

В методике Б, ранее разработанной в ОмГУ для анализа подземных вод [4], применяется импульсное излучение азотного лазера (337,1 нм), возбуждающее (с разной эффективностью) почти все полиарены. Единый режим возбуждения легче осуществим на практике, но приводит к очень сложным спектрам испускания НЛ (порядка 200 линий в интервале 360-500 нм). Компьютерную идентификацию всех люминесцирующих полиаренов вели, причем основное внимание обращалось на положение квазилиний в спектре испускания. Используемые спектрофлуориметры позволяли установить положение линий в спектрах НЛ с погрешностью, не превышающей 0,2 нм.

В настоящей работе исследовалась сланцевая смола Кохтла-Ярве, аналогичная применяющимся в литейном производстве смолам ГТФ.В ходе пробоподготовки навеску смолы растворяли в смеси бензола и ацетона (4:1), хроматографировали в тонком слое Al2O3, готовили н-парафиновые растворы фракций (10-4 г/мл), замораживали полученные растворы при 77 K и снимали спектры НЛ. Количественное определение в обоих случаях вели по способу добавок. Для повышения точности анализа по методике А интенсивность аналитических линий нормировали по линиям другого полиарена (внутренний стандарт) или по фону, что приводило к sr = 0,10 - 0,15. В методике Б нормировали сигнал по рассеянному матрицей возбуждающему излучению лазера (0-1 переход), в этом случае воспроизводимость несколько лучше, sr = 0,05-0,10, независимо от природы определяемого полиарена.

Независимо от режима возбуждения спектры НЛ неразделенной сланцевой смолы при 77 К содержат очень сильный диффузный фон, маскирующий квазилинии индивидуальных полиаренов. Чтобы уменьшить погрешности, связанные с одновременным присутствием десятков структурнородственных полиаренов в пробе сложного состава (наложения линий разных компонентов, мощный фон и др.), необходимо предварительное фракционирование пробы, при этом важно выбрать минимально необходимую степень фракционирования.

Предварительное отделение асфальтенов и неароматических компонентов по известным методикам снижает фон, но без разделения суммы полиаренов не устраняет его в требуемой степени.

После разделения пробы на 5 фракций методом тонкослойной хроматографии на Al2O3 спектры смол становятся значительно информативнее, фон снижается до приемлемого уровня даже без деасфальтизации. По нашему мнению, роль Al2O3 заключается не только в разделении суммы полиаренов, но и в частичном отделении окисленных ароматических соединений, которые при хроматографировании остаются на линии старта. Известно, что карбонил- и карбоксилпроизводные полиаренов дают диффузные спектры НЛ, и отделение их ведет к существенному повышению информативности спектров сложных смесей. Фракционирование представляется необходимой стадией анализа, независимо от выбора последующих операций (как и в анализе нефтей).

Предварительное фракционирование существенно влияет на точность анализа. Так, найденное по методике Б содержание пирена без фракционирования было 0,12 - 0,13%, а суммарное содержание пирена во всех 5 фракциях составляло 0,23%. Это совпадает с данными, полученными в Москве по методике А. Более детальное фракционирование пробы (10-15 узких фракций) не изменяло далее этот результат. Аналогичные результаты получены и по другим соединениям. Следовательно, принятая нами глубина фракционирования сланцевой смолы необходима и достаточна.

Качественный состав проб. По методике А в сланцевой смоле было обнаружено 16 голоядерных полиаренов (суммарно во всех фракциях). Эти соединения содержат от 3 до 7 сопряженных циклов, некоторые из них (бенз[a]пирен и дибенз[а,h]антрацен), являются сильными канцерогенами. 12 соединений из этих 16 были опознаны ЭВМ и по методике Б. В каждой из фракций смолы было обнаружено от 3 до 8 полиаренов, некоторые структуры обнаруживались одновременно в двух и даже в трех фракциях, что может указывать на присутствие спектрально неразличимых соединений с разной хроматографической подвижностью (например, алкилированных и неалкилированных соединений с одним и тем же ароматическим ядром). Совпадение результатов качественного анализа смолы при двух принципиально различных способах идентификации подтверждает надежность метода. Расхождения по 4 компонентам (из 16) могли объясняться неодинаковыми пределами обнаружения соответствующих полиаренов в методиках А и Б: возбуждение при 337,1 нм для некоторых соединений малоэффективно.

Машинная обработка спектров, полученных по методике Б, позволила дополнительно выявить в сланцевой смоле 19 полиаренов (в основном алкилированных). Поиск таких соединений в методике А не предусмотрен, но в родственных объектах (каменноугольная смола и др.) они неоднократно обнаруживались. Среди дополнительно идентифицированных ЭВМ соединений также были сильные канцерогены, в частности, 20-метилхолантрен и метильные производные бенз[а]пирена. Если по методике А был опознан собственно тетрафен, то с применением ЭВМ были выявлены 4 его метильных производных, отличающиеся значительно большей канцерогенной активностью. Отметим, что надежность компьютерной идентификации алкилированных соединений несколько ниже, чем голоядерных. Это можно объяснить сходством (а следовательно, меньшей характеристичностью) эталонных спектров НЛ у соединений с тем же ароматическим ядром и разными алкильными заместителями или разным положением одного и того же заместителя. Установить, какие именно алкилированные структуры присутствуют в подобных смесях, можно только с применением ЭВМ.

Результаты определения некоторых полиаренов в смоле по методикам А и Б (суммарно по всем фракциям)

Количественный анализ. Количественно определяли лишь 15 соединений, так как особо тяжелые и замещенные полиарены промышленностью не выпускаются, и соответствующие эталоны труднодоступны. Это же обстоятельство препятствует многократному дублированию опытов при работе по методу добавок. В качестве примера в таблице приведены результаты анализа смолы по 4 соединениям. Средние значения, полученные по методикам А и Б (при одинаковой пробоподготовке), для большинства соединений различаются лишь на 10 - 20 % отн., то есть расхождения статистически незначимы. Это подтверждает правильность анализа. Лишь для двух соединений из 15 - для флуорантена и бенз[е]пирена - результаты достоверно различаются (в 1,5 - 2 раза), что можно объяснить неучтенными межэталонными наложениями, то есть неудачным выбором аналитической линии в одной из методик. Отметим, что для количественного определения каждого полиарена использовали: в методике А - наиболее интенсивные, а в Б - наиболее характеристические линии (не совпадающие с линиями в эталонных спектрах испускания других компонентов). При отборе таких линий ЭВМ учитывает качественный состав пробы.

Найденные содержания индивидуальных полиаренов лежат в интервале от 0,01 до 0,5 % от массы смолы. При этом содержание особо опасного канцерогена - бенз[а]пирена - на порядок превышает допустимую по гигиеническим нормативам величину.

Таким образом, разработанные методики спектрально-люминесцентного анализа позволяют идентифицировать и количественно определить широкий круг индивидуальных полиаренов (в том числе сильных канцерогенов) даже в таком сложном объекте, как сланцевая смола, причем при минимальной пробоподготовке. Очевидно, что методика А, направленная на поиск приоритетных соединений, и методика Б, нацеленная на выявление полного состава пробы, хорошо дополняют друг друга. При этом такие канцерогены, как бенз[а]пирен и дибенз[a,h]антрацен надежно опознаются и точно определяются по обеим методикам. Разработанные методики могут быть применены. для контроля за содержанием канцерогенов на предприятиях, производящих или применяющих сланцевые смолы.

Проблема ПАУ и их содержание в природных средах 23

ПАУ (полициклические ароматические углеводороды) образуются при неполном сгорании органических веществ. Воздействие ПАУ на человека происходит при вдыхании загрязненного воздуха, табачного дыма, приеме загрязненной воды и пищи, а также при попадании на кожу сажи, смолы, нефти. Долгое время предполагалось, что ПАУ представляют только потенциальную опасность для здоровья человека; теперь установлено, что многие представители этого класса являются канцерогенами и (или) мутагенами. Из 16 соединений этой группы, подлежащих определению, наиболее распространенным является нафталин, а наиболее токсичным 3,4-бенз(а)пирен (его ПДК в воде составляет 0.005 мкг/л, в почве 0.02 мкг/л, в воздухе 0.1 мкг/100м³). Из-за высокой токсичности 3,4-бенз(а)пирена его определение входит в программы глобального мониторинга загрязнений ОС.

Поступление ПАУ в окружающую среду обусловлено, в основном, сжиганием каменного угля, работой мусоросжигающих печей и двигателей на бензине или дизельном топливе. Много их накапливается в атмосфере при лесных пожарах, в результате вулканической деятельности.

По данным постов наблюдения Гидрометеослужбы в Кузбассе за 1996 год высокое загрязнение атмосферы 3,4-бенз(а)пиреном наблюдалось в городах Кемерово, Новокузнецк, Прокопьевск. В частности, в Кемерово среднегодовая концентрация 3,4-бенз(а)пирена превышала ПДК в 5,4 раза. Наибольшее загрязнение этой примесью отмечается в правобережной части города (Кировский район), находящейся под влиянием выбросов промышленных предприятий Заводского и Кировского районов. На посту данного района средняя концентрация составила 7,3 ПДК; максимальная за год по Кузбассу отмечена здесь же (20,4 ПДК). Нафталин обнаружен не был. Наибольшее загрязнение наблюдается в период отопительного сезона. В 1995 г. было отмечено превышение ПДК в 7,9 раз, в 1990 г. - в 3,9 раз (данные по Кировскому району). В Новокузнецке наибольшее загрязнение данным ПАУ наблюдается в центре города (до 9,7 ПДК), в целом по городу средняя концентрация составляет 4,3 ПДК. Таким образом, основные источники загрязнения 3,4-бенз(а)пиреном в Кузбассе - крупнейшие металлургические предприятия, котельные и ГРЭС, отопительные печи частного сектора и транспорт.

Сведения о содержании ПАУ в воде и почве крайне ограничены. Для определения ПАУ международными стандартами рекомендуются следующие методы: КГХ\МС, ВЭЖХ\УФ и/или ВЭЖХ с флуоресцентным детектированием. В работе приводятся данные по отработке методики определения нафталина и 3,4-бенз(а)пирена в воде на жидкостном хроматографе фирмы Varian с использованием УФ детектора на диодной матрице и флуоресцентного детектора.

Определение полихлорированных бифенилов (пхб)в воде, почве и биологических объектах методом перхлорирования и ГХ-ЭЗД 24

Большинство современных загрязнений природных и промышленных объектов ПХБ обусловлены применявшимися ранее их промышленными смесями, состав которых известен и постоянен. Поэтому, для оценки уровней загрязнения природных и промышленных объектов, можно определять суммарное содержание ПХБ, периодически корректируя полученные данные стандартными методами анализа.

Для определения суммарного количества ПХБ нами предложен метод, основанный на реакции перхлорирования (исчерпывающего хлорирования) всех конгенеров ПХБ с образованием единственного соединения декахлорбифенила (ДХБ), определение которого осуществляется методом ГХ-ЭЗД. Для проведения реакции нами предложен новый реагент, который представляет собой смесь опилок дюралюминия, серы, хлористого сульфурила и Aliquat-336. При 105^оС за 35 минут достигается 91-97% выход ДХБ при введении в реакцию смеси ПХБ «Совол» в количествах от 10 нг до 200 мкг.

В качестве внутреннего стандарта используется 4-фтордифениловый эфир, который вводится в образец перед экстракцией и проходит все стадии пробоподготовки и анализа, включая перхлорирование.

В экспериментах с перхлорированием экстрактов воды с введенными ПХБ («Совол» - 16 - 16000 нг) показано, что отклонения найденных количеств ПХБ не превышает 15% от изначально введенных количеств. Также показана возможность применения разработанной методики в качестве скрининговой для определения суммарного содержания ПХБ в пробах почв и биологических объектов.

Определение полиароматических углеводородов в продуктах питания и объектах окружающей среды методом поляризационного флуоресцентного иммуноанализа

Полиароматические углеводороды (ПАУ) - класс органических соединений, для которых характерно наличие в химической структуре двух и более конденсированных бензольных колец. В продуктах питания и объектах окружающей среды встречаются до 16 таких соединений ПАУ, которые классифицируются как приоритетные загрязнители. В настоящее время ПАУ определяют методами ГЖХ или ВЭЖХ. Эти методы продолжительны во времени и малопроизводительны, требуют дорогостоящего оборудования, трудоемкой пробоподготовки образцов (очистка, концентрирование и дериватизация) и большого количества органических растворителей и других реагентов. Поэтому для быстрого скрининга ПАУ необходимо разрабатывать другие аналитические методы. Иммуноферментный анализ (ИФА) и флуоресцентный поляризационный иммуноанализ (ФПИА) становятся все более часто используемыми методами, которые дополняют хроматографические методы для скрининга большого числа загрязнителей. ФПИА это метод конкурентного иммуноанализа, который основан на возрастании поляризации флуоресценции небольших флуоресцеин-меченных молекул антигена (трейсеров) при их взаимодействии с специфическими антителами. Если в тестируемом образце содержится немеченый аналит, то трейсер будет конкурировать с ним за связывание с антителами и значение поляризации флуоресценции будет уменьшаться. Для выполнения ФПИА необходимо к тестируемому образцу (обычно 10-50 мкл) просто добавить растворы трейсера и антител, перемешать и измерить аналитический сигнал. Поляризация флуоресценции реакционной смеси измеряется в течении нескольких секунд. Общее время для проведения анализа составляет от секунд до нескольких минут в зависимости от используемых пипеток и прибора для измерения поляризации флуоресценции. В данной работе были синтезированы флуоресцеин-меченные трейсеры для различных ПАУ и разработаны методики ФПИА с использованием моноклональных и поликлональных антител. Пределы обнаружения ПАУ для бензопирена, нафталина и антрацена были 0.9, 1.1 и З,4 нг/мл, соответственно. Метод ФПИА может быть использован для быстрого скрининга продуктов питания и объектов окружающей среды на загрязнение ПАУ.

Прямое определение диизооктилфталата - антропогенного химического трассера в природных водах методом ВЭЖХ 26

Диэфиры ортофталевой кислоты (фталаты) - продукты многотоннажного синтеза и в начале 9D-x годов их мировое производство оценивалоС1> в 2.5 млн. тонн В год и около 80% приходилось на долю диизоокrилфталата (бис(2-этилгексил)фталат, БЭГФ). Наиболее широко они используются как пластификаторы пластмасс - фталаты - малотоксичные, терма- и фотостабильные труднолетучие вещества заметно растворимые в воде и очень медленно гидролизующиеся в нейтральных растворах с периодом полураспада, оцениваемым в 20-100 лет. Их концентрация в поверхностных водах к началу 90-х годов достигла уровня 1 мкг/л, но какова она сейчас, сказать трудно, Т.к., судя по отсутствию публикаций, интерес к этим соединениям пропал.

По нашему мнению, фталаты могут выполнять роль стабильных химических тpaccepов, при изучении механизмов ближнего и дальнего атмосферного переноса и механизмов водообмена, когда источниками фталатов могут служить крупные промышленные центры, где пластмассы применяются и уничтожаются в большом объеме. Для проведения этих исследований необходим надежный метод их определения в 80здухе, 8 80де и в снежном покрове. Метод был нами разработан для определения БЭГФ: хроматограф "Милихром 1.-02" (ЗАО "ЭкоНовз", Новосибирск); колонка 2х75 мм с NucJeosil 100-5 С18; объем пробы 10 мл; элюент ACN-воАа (9:1); F=0.2 мл/мин; t=50oC; ;'=200 нм. При концентрации БЭГ в воде 0.2 мкг/л погрешность определения не превышала 10%. Использование хроматографа ·Милмхром А-О2" позволяет проводить анализы непосредственно на месте отбора образцов, исключая их возможное загрязнение при транспортировке и хранении.

Метод был успешно апробирован при определении БЭГФ в снежном покрове в окрестностях Иркутска и в воде озера Байкал на разных глубинах.

Определение полициклических ароматических углеводородов в заваренном чае и сухом чае методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с флуориметрическим детектированием 25

В данной работе предложена методика определения семи полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), включая бенз(а)пирен, в заваренном растворе чая и сухом чае. Извлечение ПАУ основано на твердофазной экстракции с использованием концентрирующих патронов серии «Диапак» (БиоХимМак, Москва). Качественное и количественное определение ПАУ проводили на хроматографической системе ВЭХЖ-3 с флуориметрическим детектором Флюорат 02-2М (Люмэкс, Санкт-Петербург). Для разделения использовали хроматографическую колонку Кромасил С18 (150?2.1 мм, 5 мкм) производства Люмэкс. В качестве подвижной фазы использовали смесь ацетонитрил/вода (80/20 % v/v), скорость подачи подвижной фазы 0.2 мл/мин. Степень извлечения ПАУ в концентрационном диапазоне 0.0002 - 0.05 мг/кг для сухого чая и 0.000007 - 0.01 мг/л для заваренного чая была больше 70 %. В разных образцах сухого чая было найдено от 0.0005 до 0.031 мг/кг бенз(а)пирена, в заваренном чае порядка 0.00003-0.00006 мг/л бенз(а)пирена.