Полициклические ароматические углеводороды: проведение контроля окружающей среды

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) хорошо известные соединения, нормируемые в окружающей среде, благодаря своей мутагенной и канцерогенной активности. Следы ПАУ могут быть найдены в большом перечне пищевых продуктов: оливковое масло, фрукты, морепродукты, копченое и вяленое мясо, рыба и кофе. Например, бенз(а)пирен, считающийся наиболее опасным среди ПАУ, был найден в этом перечне пищевых продуктов на уровне 0.1 - 0.0001 мг/кг. Бенз(а)пирен нормируется и в нашей стране. В соответствии с СанПин 2.3.2.560-96 допустимый уровень содержания бенз(а)пирена в пищевых продуктах - 0.001 мг/кг. Загрязнение пищевых продуктов бенз(а)пиреном происходит из воздуха, води и/или в результате переработки пищевых продуктов. Наиболее часто для определения ПАУ в пищевых продуктах проводят жидкость-жидкостную экстракцию гексаном, циклогексаном или изооктаном с последующей очисткой экстракта на колонке, заполненной оксидом алюминия или силикагелем. Основной недостаток жидкость-жидкостной экстракции - это расход большого количества дорогостоящих, чистых растворителей и серьезные временные затраты. Для идентификации и количественного определения полициклических углеводородов используют высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ) с флуориметрическим и фотометрическим детектированием или спектрофлуориметрию с предварительным разделением на пластинке со слоем ацетилированной целлюлозы (ТСХ).

Альтернативой является газовая хроматография с пламенно-ионизационным или масс-спектрометрическим детектированием. Но и газовая хроматография обладает рядом недостатков: необходимость тщательной очистки пробы и высокая стоимость оборудования.

Выбор условий твердофазной экстракции

На начальном этапе работы были выбраны оптимальные условия для проведения твердо-фазной экстракции. Использовали три типа патронов для твердо-фазной экстракции серии «Диапак»: Диапак А (Al₂O₃), Диапак С (SiO₂) и Диапак С16М (обращено-фазный вариант, привитые алкильные группы). Используя 1 мл стандартного раствора «EPA 610 Polynuclear Aromatic Hydrocarbons Mixture» содержащего 16 ПАУ с концентрацией 0.05 мг/л бенз(а)пирена, нами были опробованы следующие 5 схем пробоподготовки:

I. 1 мл смеси ПАУ в ацетонитриле -> выпаривание -> растворение в 5 мл гексана -> Диапак А -> промывка гексаном -> смыв ПАУ смесью гексан/хлористый метилен (90/10 % v/v) -> выпаривание -> перерастворение в 1 мл ацетонитрила -> анализ.

II. 1 мл смеси ПАУ в ацетонитриле -> выпаривание -> растворение в 5 мл гексана -> Диапак C -> смыв ПАУ смесью гексан/хлористый метилен (80/20 % v/v) -> выпаривание -> перерастворение в 1 мл ацетонитрила -> анализ.

III. 1 мл смеси ПАУ в ацетонитриле -> выпаривание -> растворение в 20 мл 40 % водного р-ра ацетона -> Диапак C16М -> промывка водой -> смыв ПАУ хлористым метиленом -> выпаривание -> перерастворение в 1 мл ацетонитрила -> анализ.

IV. 1 мл смеси ПАУ в ацетонитриле -> выпаривание -> растворение в 20 мл изопропанола -> Диапак C16М -> промывка водой -> смыв ПАУ хлористым метиленом -> выпаривание -> перерастворение в 1 мл ацетонитрила -> анализ.

V. 1 мл смеси ПАУ в ацетонитриле -> добавка 19 мл воды -> Диапак C16М -> промывка водой -> смыв ПАУ хлористым метиленом -> выпаривание -> перерастворение в 1 мл ацетонитрила -> анализ.

Рис. 1. Степени извлечения ПАУ твердофазной экстракцией, n=3.

Как видно из рис. 1 степени извлечения ПАУ из модельной смеси при использовании схем I-III достаточно высоки, и для шести ПАУ за исключением флуорантена превышают 80 %. При реализации схемы V было найдено, что степень извлечения не превышает 10 % процентов, т.е. проведение твердофазной экстракции из растворов на основе водной матрицы дает очень низкую степень извлечения, следовательно при определении ПАУ в заваренном чае, в водный раствор необходимо добавлять органический растворитель, например ацетон или изопропанол.

Определение содержания ПАУ в сухом чае

Массовое содержание семи ПАУ было найдено в образце крупнолистового черного (образец №1), двух образцах листового зеленого (образцы: №2, №3), и образцах черного чая в пакетиках (образцы: №4, №5). Все образцы произведены разными производителями и были приобретены в розничной торговой сети.

Для определения ПАУ в реальных пробах наибольшая степень извлечения была получена при проведении пробоподготовки по следующей схеме: пробу чая массой 3 г помещали в коническую колбу вместимостью 100 мл, добавляли 15 мл ацетона, 25 мл воды и перемешивали на перемешивающем устройстве в течение часа. Полученный экстракт пропускали через подготовленный патрон Диасфер С16М, промывали патрон водой, элюировали ПАУ с патрона хлористым метиленом. Затем хлористый метилен выпаривали и перерастворяли в 0.3 мл ацетонитрила. Конечный экстракт в объеме 10 мкл вводили в жидкостный хроматограф.

Хроматограммы стандартного раствора смеси ПАУ «EPA 610 Polynuclear Aromatic Hydrocarbons Mixture» с содержанием 0.01 мг/л бенз(а)пирена, образца №1 крупнолистового черного чая и образца №4 - черного чая в пакетиках представлены на рис. 2.

Определение содержания ПАУ в заваренном чае

Для определения содержания ПАУ в растворе чая использовали следующую методику: 15 г сухого чая заливали 200 мл кипящей воды, оставляли на 4 часа, затем отфильтровали раствор чая, добавляли к полученному фильтрату 20 мл изопропанола, тщательно перемешивали. Затем проводили процедуру твердофазной экстракции на патроне Диапак С16М аналогично описанной выше.



Рис. 2. Хроматограммы стандарта EPA 610 (А), образца чая №1 (Б) и образца чая №4 (В). Хроматографическая система: ВЭЖХ-3 + Флюорат 02-2М. Колонка: Кромасил С18 (150?2.1 мм, 5 мкм). Элюент: ацетонитрил/вода - 80/20 % v/v. Расход: 0.2 мл/мин. Пики: 1 - флуорантен, 2 - бенз(а)антрацен, 3 - бенз(b)флуорантен, 4 - бенз(k)флуорантен, 5 - бенз(а)пирен, 6 - дибенз(a.h)антрацен и 7 - бенз(ghi)перилен.

Приборы для определения пестицидов

"ЭХО-EW-ПФД"

высокочувствительный газовый хроматограф с пламенно-фотометрическим детектором для анализа фосфор и серо содержащих экотоксикантов, в том числе, отравляющих веществ

Хроматографы ЭХО-EW-ПФД предназначены для проведения оперативных качественных и количественных анализов фосфор и серу содержащих органических веществ, в том числе, отравляющих веществ, в газообразных или жидких пробах в лабораторных и полевых условиях.

Контроль:

- объектов окружающей среды (воздуха, воды, почвы) на содержание фосфор и серу содержащих пестицидов и отравляющих веществ (ОВ);

- помещений, автотранспорта, багажа, почтовых отправлений на наличие ОВ;

Определение:

- круга лиц, имевших контакт с ОВ;

- использованного ОВ при массовых поражениях ОВ, и его автоматическая идентификация.

Принцип действия:

схема газового хроматографа с пламенно-фотометрическим детектором;

ввод пробы из воздуха, или из воздуха с предварительным концентрированием на твердых сорбентах, или микрошприцем из раствора;

отображение информации на персональном компьютере с программным обеспечением, работающим в среде Windows.

Преимущества:

? малый вес

? низкое энергопотребление

? высокая чувствительность

? быстродействие

? возможность дистанционного пробоотбора и отбора пробы на концентратор из труднодоступных мест (узкие щели, трещины и т.д.)

? простота в обращении, автоматическая идентификация ОВ и пестицидов

? возможность создания мобильной энергонезависимой лаборатории

? возможность проведения качественного и количественного анализа с использованием стандартных методик

? возможность создания и пополнения баз данных на обнаруживаемые вещества и ведения архива хроматограмм

Технические характеристики:

Пламенно-фотометрический детектор:

- чуствительность, г/сек - по фосфору порядка 10-11 , по сере порядка 10-10; постоянная времени, сек - 0,1;

- динамический диапазон - не менее 3-х порядков по фосфору;

- температура, 0C - 50о 200о.

Газохроматографическая колонка (ГХК):

- быстродействующая поликапиллярная колонка длиной 20 см или Z - образная 60 см;

- эффективность, т.т./м - 8000-10000

; температура ГХК, 0C - 40 200;

- точность поддержания температуры, 0C - не хуже 0,2;

- тип фазы - SE-30, SE-54, Carbowax-20M, OV-624 и др.)

Устройства ввода пробы:

Температура ввода - 50 - 250^oC, точность поддержания температуры - не хуже 0,5^oC.

а) шприцевой ввод - качественный и количественный анализ жидких и газообразных проб, вводимых с помощью специального газохроматографического шприца;

б) адсорбционный ввод - качественный и количественный анализ примесей сорбированных из газа на специальный концентратор;

в) автоматическая газовая петля - фиксируемый объем вводимой пробы, количественный анализ газообразных проб автоматически отбираемых прибором до 1 см³, с дискретностью 0,02 см³

Используемые газы:

- инертный газ-носитель (азот, аргон, гелий) - встроенный баллон емкостью - 0.46 литра; расход - 40 см³/мин; давление - 15 МПа; быстрое подключение внешнего баллона.

- водород - встроенный баллон емкостью 0.46 литра; расход - 40 см³/мин; давление - 5 МПа; быстрое подключение внешнего баллона.

- воздух - встроенный компрессор с легко восстанавливаемым фильтром очистки воздуха, расход 300 см³/мин;

Габаритные размеры, мм - 590х135х330;

Управление прибором, обработка результатов анализа - персональный компьютер с процессором не ниже 386, имеющего последовательный порт RS232 и манипулятор “мышь”.

Вес с аккумуляторной батареей, Кг - 15,2.

Предел обнаружения хроматографа:

Вещество Показатель не хуже, мг/м³ Время анализа не хуже, мг/м³ не более, сек

Прямой ввод окружающего воздуха

зарин (GB) 0,4 20

зоман (GD) 0,3 30

V- газы (VX) 8 60

иприт (HD) 3,6 60

С использованием ловушек-концентраторов при отборе 100 мл воздуха зарин (GB) 0,004

зоман (GD) 0,003

V- газы (VX) 0,08

иприт (HD) 0,036

С использованием шприцевого ввода и газохроматографического шприца объемом 1 мкл

зарин (GB) 1.0*10-⁴ 60

зоман (GD) 8.0*10^-5 60

V- газы (VX) 2.0*10^-3 70

иприт (HD) 9.0*10^-4 70

Электропитание:

встроенная батарея (тип батареи PANASONIC LRC 12V 10PF, время работы прибора при температуре ГХК 100^оС - с момента включения не менее 3,5 часов, в режиме измерения не менее 4 часов); внешний источник постоянного тока (выходное напряжение от 11 до 15В; номинальная мощность не менее 70 Вт; подключение к сети автомобиля или аккумулятора 12 В;

внешний источник переменного тока - 220/115 Вт, 50- 60 Гц.

Рабочий температурный диапазон, ^oС - +5 - 40, возможно расширение диапазона до +50^oС.

Потребляемая мощность, Вт - в режиме подготовки не более 70, в режиме измерений не более 25.

“ЭХО-EW-ПИД”

Высокочувствительный газовый хроматограф с пламенно-ионизационным детектором для анализа органических экотоксикантов

Хроматограф ЭХО-EW-ПИД предназначен для проведения оперативных качественных и количественных анализов органических веществ в газообразных или жидких пробах в лабораторных и полевых условиях.

Прибор зарегестрирован в Госреестре средств измерений под № 17712-98

Традиционный газовый хроматограф для рутинных анализов во времени близкому к реальному и в системах производственного контроля;

Быстрый промышленный анализ природных газов и нефтепродуктов в местах разведки, добычи, переработки, экологических бедствий и т.д.

Контроль объектов окружающей среды (воздуха, воды, почвы), помещений, автотранспорта, багажа, почтовых отправлений на содержание органических веществ.

Принцип действия:

Схема газового хроматографа с пламенно-ионизационным детектором;

ввод пробы из воздуха, или из воздуха с предварительным концентрированием на твердых сорбентах, или микрошприцем из раствора; отображение информации на персональном компьютере с программным обеспечением, работающим в среде Windows.

Преимущества:

? малый вес

? низкое энергопотребление

? высокая чувствительность

? быстродействие

? возможность дистанционного пробоотбора и отбора пробы на концентратор из труднодоступных мест (узкие щели, трещины и т.д.)

? простота в обращении

? возможность создания мобильной энергонезависимой лаборатории

? возможность создания и пополнения баз данных на широкий класс обнаруживаемых веществ и ведения архива хроматограмм

? автоматическая идентификация органических веществ.

Технические характеристики:

Детектор - Пламенно-ионизационный;

Чувствительность, г/сек - по толуолу не хуже 8x10-11;

Постоянная времени, сек - 0,1;

Динамический диапазон - не хуже 105;

Температура, 0C - 50^о 200^о;

Рабочий температурный диапазон, ^oС - +5- + 40, возможно расширение диапазона до +50;

Потребляемая мощность, Вт - в режиме подготовки не более 70; в режиме измерений не более 25;

Габаритные размеры, мм - 500х135х330;

Вес с аккумуляторной батареей, Кг - 14,9.

Управление прибором, обработка результатов анализа - персональный компьютер. Газохроматографическая колонка ГХК - быстродействующая поликапиллярная колонка длиной 20 см или Z - образная 60 см (эффективность, т.т./м - 8000-10000; температура ГХК, 0C - 40 200; точность поддержания температуры, 0C - не хуже 0,2; тип фазы - SE-30, SE-54, Carbowax-20M, OV-624 и др.)

Устройство ввода пробы - температура ввода от 50 до 250^oC, точность поддержания температуры не хуже 0,5^oC.

Шприцевой ввод - качественный и количественный анализ жидких и газообразных проб вводимых с помощью специального газохроматографического шприца;

Адсорбционный ввод - качественный и количественный анализ примесей сорбированных из газа на специальный концентратор. Степень обогащения веществ с летучестью бензола не менее 100;

Автоматическая газовая петля - фиксируемый объем вводимой пробы количественный анализ газообразных проб автоматически отбираемых прибором до 1 см³ с дискретностью 0,02 см³.

Используемые газы:

Инертный газ-носитель (азот, аргон, гелий) - встроенный баллон емкостью 0.46 литра; расход 40 см³/мин; давление 15 МПа; быстрое подключение внешнего баллона;

Водород - встроенный баллон емкостью 0.46 литра; расход 40 см³/мин; давление 5 МПа; быстрое подключение внешнего баллона;

Воздух - встроенный компрессор с легко восстанавливаемым фильтром очистки воздуха; расход 300 см³/мин.

Электропитание:

Встроенная батарея тип батареи PANASONIC LRC 12V 10PF; время работы прибора при температуре ГХК 100^оС (с момента включения не менее 3,5 часов; в режиме измерения не менее 4 часов);

Внешний источник постоянного тока - выходное напряжение от 11 до 15 В; номинальная мощность не менее 70 Вт; подключение к сети автомобиля или аккумулятора 12 В;

Внешний источник переменного тока - 220/115 вольт, 50- 60 Гц.

Работа по созданию хроматографов серии “ЭХО” удостоена Премии Правительства РФ в области науки и техники за 1997 год. (Постановление Правительства РФ № 382 от 06.04.98 г.)

Таким образом, современные инструментальные методы анализа пестицидов являются фундаментом для оценки риска воздействия пестицидов на человека и окружающую среду Важность решений, принимаемых на основе данных, получаемых с помощью этих методов, предъявляет высокие требования к чувствительности, специфичности, правильности, воспроизводимости и надежности используемых методик.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вронский В. А. Прикладная экология: Учебное пособие. Ростов н/Д: изд-во "Феникс», 1996. С. - 512.

2. Васильев В.П. Аналитическая химия. в 2 кн. Кн. 2. Физико-химические методы анализа. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2002. - 256 с.

3. Крешков А. П. Основы аналитической химии. В 3-х т.-- М.: Химия. 1976. - 340 с.

4. Г.Юинг Инструментальные методы химического анализа. М. «Мир», 1989.- 223 с.

5. Б.В. Иоффе и др. Новые физические и физико-химические методы исследования органических соединений. Л.: «Химия», 1984.- 456с.

6. Айвазов Б.В. Введение в хроматографию. М.:Высш.школа. 1983. - 240 c.

7. Дикун П.П. Определение полициклических ароматических углеводородов // Проблемы аналитической химии. М.: Наука, 1979. № 6. С. 100-116.

8. Динамика загрязнения почв полициклическими ароматическими углеводородами и индикация состояния почвенных экосистем / А.Н. Геннадиев, И.С. Козин, Е.И. Шурубор и др. // Почвоведение, 1990. № 10. С. 75-85.

9. Ильницкий А.П. Канцерогенные углеводороды в почве, воде и растительности // Канцерогены в окружающей среде. М.: Гидрометеоиздат, 1975. С. 53-71.

10. Методические указания по качественному и количественному определению канцерогенных полициклических ароматических углеводородов в продуктах сложного состава / П.П. Дикун, И.А. Калинина. М., - 1976. 44 с.

11. Ровинский Ф.Я., Теплицкая Т.А., Алексеева Т.А. Фоновый мониторинг полициклических ароматических углеводородов. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 223 с.

12. Унифицированные методы мониторинга фонового загрязнения природной среды / Под ред. Ф.Я. Ровинского. М.: Гидрометеоиздат, 1986. 182 с.

13. Шурубор Е.И. Полициклические ароматические углеводороды в системе почва-растение района нефтепереработки (Пермское Прикамье) // Почвоведение, 2000. № 12. С. 1509-1514.

14. Я. Бартулевич, Г. Ягов Методы определения ПАУ в объектах окружающей среды

15. Клесмент И.Р., Касберг А.Ф. и др. // Химия твердого топлива. 1969. N 2. С. 67.

16. Арро Я.В., Сорокина Т.С. и др. // Химия твердого топлива. 1984. - N 4. С. 50.

17. Хесина А.Я., Хитрово И.А., Геворкян Б.З. // Журнал прикладной спектроскопии. 1983. Т. 38. N 6. С. 928.

18. Вершинин В.И., Кузовенко И.В. и др. // Журнал аналитической химии. 1981. - Т.36. N 5. С. 981.

19. Вершинин В.И. Применение математических методов и ЭВМ в аналитической химии. М.: Наука, 1989. С. 123-130.

20. Вершинин В.И., Власова И.В., Карякин А.В.// Журнал аналитической химии. 1988. Т.43. N 9. С. 1684.

21. Назаркина С.Г. Определение полиароматических углеводородов в объектах окружающей среды методами жидкостной и тонкослойной хроматографии

22. В.И.Вершинин, А.Я.Хесина Определение полициклических углеводородов в сланцевой смоле

23. О.С. Сердюк Проблема ПАУ и их содержание в природных средах

24. Фешин Д.Б., Бродский Е.С., Калинкевич Г.А., Клюев Н.А. Определение полихлорированных бифенилов (пхб)в воде, почве и биологических объектах методом перхлорирования и гх-эзд

25. Шпак А.В., Алексеенок Д.А., Герасимова С.А. Определение полициклических ароматических углеводородов в заваренном чае и сухом чае методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с флуориметрическим детектированием

26. И.Н.Азарова, Г.И.Барам, А.Г.Горшков, Е.Д.Кирюхина Прямое определение диизооктилфталата антропогенного химического трассера в природных водах методом ВЭЖХ