IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Благодаря бурному развитию современных технологий, росту объемов промышленного производства в различных отраслях, а также увеличению количества автотранспорта в последние десятилетия [1] во многих странах, включая Россию, сложилась неблагополучная экологическая ситуация, которая требует серьезных усилий всего человечества для стабилизации существующего уровня загрязненности объектов окружающей среды. Более 30% населения страны не менее одного раза в год подвергается воздействию тех или иных вредных веществ, более чем в 20 раз превышающих ПДК. Около 20% проживает в условиях постоянно высокого уровня загрязнения. [2]

Важная роль должна быть отведена контролю загрязнений всех сфер окружающей среды – воздуха, воды, почвы. Сложность определения загрязнений в объектах окружающей среды обусловлена прежде всего тем, что из-за развития синтеза появляются новые соединения, природные объекты являются сложной матрицей и содержат немало опасных веществ, в том числе ПАУ.

Чаще всего ПАУ попадают в окружающую среду в результате прямых выбросов в атмосферу из естественных и антропогенных источников, являются продуктами сгорания топлива. Трудность их определения обусловлена ещё и тем, что эти соединения образуют сложные смеси, часто находятся в сложной матрице и в очень малых количествах, так что методы анализа должны обладать высокой чувствительностью, специфичностью и информативностью, что позволило бы идентифицировать и определять количественно большую гамму веществ различных классов на уровне концентраций 10^-5 – 10^-7 %, а иногда и более низких. [3]

Важным этапом любого анализа является пробоподготовка образцов, которая помогает не только выделить исследуемое вещество, но и с концентрировать его. Особенно трудна подготовка природных объектов. Мхи-биомониторы очень важный носитель информации о загрязнении окружающей среды как тяжелыми металлами, так и органическими загрязнителями, такими как ПАУ. Особенность этого объекта связана с тем, что у мхов отсутствует корневая система, поэтому они являются живыми системами, состав которых отражает состояние атмосферы. А их распространенность делает их доступным материалом для анализа.

При исследовании образцов с помощью ВЭЖХ очень важным и трудоемким является процесс подбора условий хроматографирования, в частности подбора растворителя с помощью литературы о предыдущем опыте аналогичных исследований, а также характеристик растворителя и его совместимости с частями прибора, особенно с диодно-матричным детектором.

Характеристика ПАУ

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) относятся к супертоксикантам и стойким органическим загрязнителям (СОЗ), а также внесены Агентствами по охране окружающей среды (ЕРА) США и стран Европейского союза в список наиболее опасных загрязнителей почвы, воздуха, воды. В России обязательному контролю подлежит бенз[а]пирен, но к приоритетным относят 16 ПАУ: нафталин, аценафтен, флуорен, аценафтилен, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, бенз(а)антрацен, бенз(b)флуорантен, бенз(k)флуорантен, бенз(а)пирен, дибенз(a,h)антрацен, индено(1,2,3-cd)пирен, бенз(g,h,i)перилен

Для этих соединений характерна низкая растворимость в воде, высокая способность к сорбции и устойчивость в компонентах среды, особенно почвах. Важной особенностью ПАУ является их разная способность к сорбции в зависимости от природы материалов, из которых они образуются. Например, ПАУ образующиеся из полимерных материалов, топлив и нефти плохо сорбируются на сажистых частицах. [4]

На основании литературных данных по токсичности, частоте встречаемости, уровням ПДК для первоначальной отработки методики определения ПАУ методом ВЭЖХ выбраны 6 приоритетных ПАУ: фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, бенз[а]антрацен, хризен.

ПАУ содержат π-π^* сопряжение и поэтому хорошо флуоресцируют в неполярных растворителях и хуже в протонных [5]. Способность к флуоресценции дает возможность определения этих веществ при фотометрическом детектировании. Также наличие в молекулах σ-π связей позволяет производить их определение методами колебательной спектроскопии.

Особая осторожность при работе с данным классом веществ необходима не только потому, что они являются супертоксикантами, но и потому, что они обладают фотохимической активностью, а, следовательно, являются и биологически активны.

Методики определения, выбор растворителя

Наиболее часто для определения ПАУ используют метод жидкостной хроматографии (ЖХ). Для данного метода разработано и утверждено большое количество методик. В государственном университете «Дубна» имеется прибор Shimadzu LC-2010 (высокоэффективная жидкостная хроматография), оснащенный диодно-матричным детектором (ДМД). Для данной модификации прибора и детектора отсутствуют методики для анализа ПАУ. Поэтому первым этапом исследований мы вынуждены провести разработку методики для дальнейшего анализа ПАУ в объектах окружающей среды.

Важным стартовым этапом любого анализа является подбор условий и определение предела обнаружения определяемого вещества. В процессе экспериментальной части на основании литературных данных и теоретических основ метода были подобраны оптимальные условия хроматографирования для прибора Shimadzu LC-10 с ДМД. В ходе работы над литературным обзором было найдено несколько методик по идентификации органических загрязнителей в объектах окружающей среды методом жидкостной хроматографии. По используемому растворителю их можно разделить на два типа: с ацетонитрилом и смесью ДМСО:гептан:метанол.

В основе большинства аттестованнных методик для определения ПАУ лежит использование смеси ацетонитрил:вода (60:40), однако из-за высокой стоимости, токсичности, самовоспламеняемости ацетонитрила осуществлялся поиск альтернативы данной подвижной фазы. В работе И.Н. Мельникова [6] и статье Филатова [7] предлагается заменить ацетонитрил смесью растворителей, что значительно сокращает время удерживания. В этой работе рассматривается экстракция веществ из почвы с последующим анализом вытяжки на ВЭЖХ при помощи смеси — ДМСО: гептан: метанол, в соотношении 5:10:85 (мл). Время анализа и количество используемого элюента значительно сокращается: до 6 мин и расход элюента — 1 мл/мин.

В связи с тем, что ДМСО оказывает мешающее влияние при анализе на ВЭЖХ с диодно-матричным детектированием, так как люминесцирует на всем диапазоне длин волн, поэтому использование методик [6] и [7] невозможно. Однако, существует возможность для математического моделирования условий хроматографирования, например, подбор многокомпонентной подвижной фазы в соответствии с элюирующей способностью. [8]

Подбор условий хроматографирования

Первоначальные условия для анализа ПАУ выбраны на основе методики [9]: высокоэффективный жидкостной хроматограф Shimadzu LC-2010 с детектором диодной матрицы, колонка аналитическая, размером 4,6 х 250 мм, заполненная обращенно-фазовым сорбентом С18 с диаметром частиц 5 мкм. Подвижная фаза: 60 % ацетонитрила – 40 % воды; скорость потока: 1,0 мл/мин; детектирование по поглощению в УФ-области спектра при длине волны 254 нм (основная) и 230, 280 нм (вспомогательные).

Первым этапом были воспроизведены условия хроматографирования отдельно каждого из шести отобранных ПАУ согласно вышеприведенной методике (растворитель 60 % AcN: 40% H₂O).

В ходе работы были получены данные, на основании которых решено провести эксперимент в новых условиях: AcN : H₂O = 70% : 30%, с целью уменьшения времени выхода (t_R) и расхода реактивов. В ходе анализа были получены следующие данные, а также рассчитан коэффициент емкости (k’) — безразмерная величина, характеризующая удерживание вещества и равная отношению приведенного времени удерживания к мертвому времени (t_М), приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Данные при составе элюента AcN : H₂O = 70% : 30%

	Антрацен	Пирен	Хризен	Бенз(а)антрацен		Флуорантен		Фенантрен
tR, мин	5,82	5,16	5,97	8,60		4,75		4,00
tМ, мин	1,5
k’	2,88	2,44	2,98		4,73		2,17		1,67

По рассчитанному коэффициенту емкости (k’) видно, что для антрацена, пирена, хризена, флуорантена и фенантрена он находится в пределах нормы (1,5 – 4,0), но для бенз(а)антрацена незначительно превышает пределы.

В связи с тем, что время удерживания антрацена близко к времени удерживания хризена, требуется получить хроматограмму смеси этих веществ, чтобы удостовериться в том, что они разделятся. На рисунке 1 приведена хроматограмма смеси шести ПАУ.

Рис. 1. Хроматограмма смеси ПАУ из шести штук:

1 – фенантрен, 2 – антрацен, 3 – флуорантен, 4 – пирен, 5 – хризен, 6 – бенз(а)антрацен, снимали при 254 нм, AcN:H₂O = 80:20%, термостат колонки 40 ˚С

На основании полученных хроматоргамм нами рассчитаны условия для определения шести ПАУ (таблица 2).

Таблица 2.Подбор условий для хроматографирования ПАУ

ПАУ	Конц. ПАУ, мг/л	Длина волны, нм	tR (80:20 см.), мин
Фенантрен	20	250	4,00
Антрацен	5	251	4,22
Флуорантен	20	235	4,75
Пирен	5	240	5,23
Хризен	~ 80	267	5,98
Бенз(а)антрацен	20	284	8,54

Согласно рассчитанным коэффициентам емкости веществ k’ (таблица 1) условия хроматографирования подобраны удолвлетворительно, но в связи с тем, что под влиянием других ПАУ время выхода антрацена значительно изменяется, было принято решение о построении градуировки по смеси всех шести ПАУ. При одновременной идентификации нескольких веществ важно определить такие параметры хроматографирования, как коэффициент селективности и фактор разрешения.

По рассчитанным коэффициентам селективности (таблица 3) видно, что практически все вещества хорошо разделяются на колонке, так как все значения отличны от 1. Однако, для веществ Фенантрен – Антрацен, коэффициент близок к единице. Поэтому для этой пары следует проверить фактор разрешения. Полученное значение фактора разрешения RS = 0,66 меньше единицы, что свидетельствует о незначительном разделении веществ.

Таблица 3. Проверка степени разделения веществ.

Соседние ПАУ	Коэффициент селективности
Фенантрен – Антрацен	1,09
Антрацен – Флуорантен	1,20
Флуорантен – Пирен	1,15
Пирен – Хризен	1,20
Хризен – Бенз(а)антрацен	1,57

Также из градуировочных графиков, построенных для смеси 6 ПАУ, были определены пределы обнаружения (табица. 4).

Таблица 4. Определение предела обнаружения

ПАУ	Минимальная концентрация для градуировочного графика, мг/л	Рассчитанный предел обнаружения, мг/л
Фенантрен	0,1	0,03
Антрацен	1,00	0,10
Флуорантен	1,00	0,07
Пирен	1,00	0,21
Хризен	1,00	3,40
Бенз(а)антрацен	5,00	3,15

Заключение

В статье рассмотрен подбор методики анализа на основании литературных источников, для которой рассчитаны пределы обнаружения для каждого из шести анализируемых ПАУ из посроенных градуировочных графиков.

По итогам апробации методики были уточнены условия:

- количество ацетонитрила было увеличено с 60% до 80%, что позволило уменьшить время выхода с 20 мин до 10;

- для определния ПАУ методом ВЭЖХ, с помощью диодно-матричного детектора, была подобрана длина волны λ = 254 нм, при которой возможна идентификация одновременно всех шести анализируемых ПАУ.

Полученные хромотограммы показали, что при выбранных условиях смесь веществ разделяется, но возможно улучшить селективность и уменьшить время анализа за счет использования градиентного режима.

Список литературы

1. Травень В.Ф. Органическая химия: Учебник для вузов: В 2 т. /В.Ф. Травень – М.: ИКЦ «Академкнига», 2008 –Т.1., 727 с.

2. Другов Ю.С., Родин А.А. Пробоподготовка в экологическом анализе: практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 855 с.

3. Онищенко Г.Г., Зайцева Н.В., Уланова Т.С. Контроль содержания химических соединений и элементов в биологических средах: руководство. под ред. Г.Г. Онищенко. – Пермь: Книжный формат, 2011. – 520 с.

4. Рахман А К М Джамиль. Мониторинг содержания бен(а)пирена в водных объектах (на примере р. Уфа) / Автореферат — Уфа, 2014— с. 24

5. Садек П. Растворители для ВЭЖХ/; Пер. с англ. А.А. Горбатенко и Е.И. Ревиной. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. — 704 с.

6. Филатов В.В., Кайргалиев Д.В., Васильев Д.В., Мельников И.Н., Пичхидзе С.Я Возможности жидкостной хроматографии в определении полициклических ароматических углеводородов. (URL: https://www.science-education.ru (дата обращения: 25.04.2016))

7. И. Н. Мельников и др. Хроматографический анализ хлорированных ксенобиотиков [Текст] // Экологические проблемы промышленных городов : сб. науч. тр. по материалам 7­й всерос. науч.­практ. конф. с междунар. участием / СГТУ. ­ Саратов, 2015. ­ Ч. 1. ­ С. 164­165. ­ Библиогр.: с. 165

8. Долгоносов А. М. Неспецифическая селективность впроблеме моделирования высокоэффективной хроматографии. — М.: КРАСАНД, 2012. — 256 с.

9. Методы контроля. Химические факторы. Измерение массовой доли бенз(а)пирена в пробах почв, грунтов, донных отложений и твердых отходов методом ВЭЖХ с использованием флуориметрического детектора — МУК 4.1.1274-03

Код для цитирования: Скопировать