Способ определения общих и полициклических ароматических углеводородов в компонентах экосистемы
Владельцы патента RU 2589897:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)
Изобретение относится к области экологической аналитической химии. Способ включает отбор проб массой 2-4 г, их сушку, измельчение и двухкратную экстракцию целевых компонентов дихлорметаном при воздействии на пробу ультразвуковых колебаний, фильтрование объединенного экстракта и упаривание досуха при давлении не выше 0,1 мм рт.ст. и температуре 65-70°C, обработку экстракта 2 см3 2%-ного спиртового раствора едкого натра при температуре 60-65°C в течение 60 мин, после чего к экстракту прибавляют дистиллированную воду, двукратно экстрагируют целевые компоненты дихлорметаном, объединенный экстракт очищают на патроне, заполненном силикагелем и безводным сульфатом натрия, после чего его упаривают досуха, а сухой остаток растворяют в 1 см3 четыреххлористого углерода и делят на две равные части, из которых одну используют для определения общих углеводородов методом инфракрасной спектрометрии, а вторую часть сушат, отдувают азотом, а сухой остаток перерастворяют в ацетонитриле и используют для определения содержания полициклических ароматических углеводородов методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования. Достигается повышение точности и упрощение анализа. 3 табл., 3 пр.
Изобретение относится к области экологической аналитической химии и может быть использовано для совместного извлечения и дальнейшего определения общих углеводородов (ОУВ) и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в абиотических компонентах (песок, ил, донные осадки) и биологическом материале.
Известен способ определения полиароматических углеводородов в гидробионтах с применением щелочного гидролиза с последующим анализом целевых компонентов методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (см. Lim Н.Н., Shin Н.S. Simultaneous determination of 2-naphthol and 1-hydroxypyrene in fish and shellfish contaminated with crude oil by gas chromatography-mass spectrometry // Food chemistry. - 2013. - T. 138. - №. 2. - C. 791-796).
Недостатком этого метода является ограниченный набор определяемых компонентов: достоверно выделены два представителя ПАУ (2-нафтол и 1-гидроксипирен).
Известен метод определения полиароматического углеводорода, а именно нафталина, в мышечной ткани рыбы. Процедура извлечения нафталина из мышечной ткани рыбы проводилась смесью гексана и дихлорметана (1:1), последующей очисткой на колонках, заполненных активированным силикагелем. Разделение полиароматических углеводородов проводили с использованием метода газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС) (см. Hossain М.A. et al. Naphthalene, a polycyclic aromatic hydrocarbon, in the fish samples from the Bangsai river of Bangladesh by gas chromatograph-mass spectrometry //Arabian Journal of Chemistry. - 2014. - T. 7. - C. 976-980).
Недостатком этого метода является отсутствие информации о его применимости при анализе 16 основных приоритетных согласно требованиям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) ПАУ, а также общих углеводородов. Кроме того, методы требуют применения дорогостоящего и сложного в эксплуатации аналитического оборудования и специфических сорбционных материалов.
Известен также способ извлечения 16 приоритетных ПАУ с использованием техники дисперсионной микроволновой жидкостно-жидкостной микроэкстракции из образцов копченой рыбной продукции дихлорметаном (см. Mohammadi A. et al. Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in smoked fish samples by a new microextraction technique and method optimisation using response surface methodology //Food chemistry. - 2013. - T. 141. - №. 3. - C. 2459-2465).
Недостатком этого метода является применение его для потенциально загрязненных в результате копчения образцов и, соответственно, повышенный уровень содержания ПАУ. В природных образцах из относительно чистых акваторий содержание ПАУ может быть значительно ниже чувствительности данного метода.
Выбранный в качестве прототипа способ определения ПАУ в гидробионтах включает отбор проб, их сушку, измельчение и экстракцию целевых компонентов органическим растворителем, с последующей очисткой экстракта от липидов и хроматографическим определением полициклических ароматических углеводородов. При этом в качестве органического растворителя используют гексан.
Как и в предыдущих методах, основным недостатком является невозможность совместного извлечения углеводородов разных классов.
Задача разработанного способа - расширение диапазона исследуемых углеводородов.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в расширении диапазона исследуемых ПАУ до необходимого минимума, рекомендуемого ВОЗ (нафталина, бифенила, 2-метилнафталина, аценафтена, флуорена, фенантрена, антрацена, флуорантена, пирена, бенз(а)антрацена, хризена, бенз(b)флуорантена, бенз(k)флуорантена, бенз(а)пирена, дибенз(а,h)антрацена, бенз(g,h,i)перилена), и совместном извлечении с ними общих углеводородов.
Поставленная задача решается способом определения общих и полициклических ароматических углеводородов в компонентах экосистемы, включающим отбор проб массой 2-4 г, их сушку, измельчение и двухкратную экстракцию целевых компонентов дихлорметаном при воздействии на пробу ультразвуковых колебаний, фильтрование объединенного экстракта и упаривание досуха при давлении не выше 0,1 мм рт.ст. и температуре 65-70°C, обработку экстракта 2 см3 2%-ного спиртового раствора едкого натра при температуре 60-65°C в течение 60 мин, после чего к экстракту прибавляют дистиллированную воду, двукратно экстрагируют целевые компоненты дихлорметаном, объединенный экстракт очищают на патроне, заполненном силикагелем и безводным сульфатом натрия, после чего его упаривают досуха, а сухой остаток растворяют в 1 см3 четыреххлористого углерода и делят на две равные части, из которых одну используют для определения общих углеводородов методом инфракрасной спектрометрии, а вторую часть сушат, отдувают азотом, а сухой остаток перерастворяют в ацетонитриле и используют для определения содержания полициклических ароматических углеводородов методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Использование в качестве органического растворителя дихлорметана дает возможность совместного извлечения полиароматических и общих углеводородов, а также повышения степени извлечения отдельных представителей ПАУ и ОУВ в целом.
Воздействие на пробу ультразвуковых колебаний направлено на интенсификацию и увеличение степени экстракции целевых компонентов.
Признаки «… фильтрование объединенного экстракта и упаривание досуха при давлении не выше 0,1 мм рт.ст. и температуре 65-70°C, обработку экстракта 2 см3 2%-ного спиртового раствора едкого натра при температуре 60-65°C в течение 60 мин, после чего к экстракту прибавляют дистиллированную воду, двукратно экстрагируют целевые компоненты дихлорметаном, объединенный экстракт очищают на патроне, заполненном силикагелем и безводным сульфатом натрия, после чего его упаривают досуха, а сухой остаток растворяют в 1 см3 четыреххлористого углерода …» обеспечивают очистку экстрактов от соэкстрагируемых примесей для последующего определения содержания ОУВ и ПАУ.
Признак, указывающий, что образцы «делят на две равные части», позволяет одновременно готовить аликвоты экстракта для определения исследуемых ПАУ и ОУВ.
Признак «… для определения общих углеводородов методом инфракрасной спектрометрии …» указывает на метод, используемый для определения общих углеводородов.
Признаки «… вторую часть сушат, отдувают азотом, а сухой остаток перерастворяют в ацетонитриле и используют для определения содержания ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования …» указывают на метод, используемый для анализа и идентификации полиароматических углеводородов.
Способ осуществляют следующим образом.
Матрицу (например, мышечная ткань, донные осадки) сушат до воздушно-сухого состояния в термостате при температуре (70-75°С), достаточной для испарения влаги и не позволяющей разрушаться исследуемым компонентам, гомогенизируют на лабораторной шаровой мельнице до размера частиц, проходящих через сито с диаметром ячейки 0,5 мм. Навеску подготовленного образца массой 2-4 г, взятую с точностью 0,01 г, помещают в склянку, дважды экстрагируют порциями дихлорметана по 20 см3 (для максимально полной экстракции исследуемых компонентов) на ультразвуковой бане мощностью 50 Вт. Объединенный экстракт фильтруют через бумажный фильтр «белая лента» и упаривают досуха под вакуумом (при давлении не выше 0,1 мм рт. ст.) на водяной бане при температуре 65-70°С (для предотвращения деструкции анализируемых компонентов и интенсификации испарения дихлорметана). К сухому (или масляному при анализе гидробионтов) остатку прибавляют 2 см3 2%-ного спиртового раствора едкого натра и оставляют смесь для полного омыления при температуре 60-65°С (водяная баня) на 60 минут. К полученной смеси прибавляют 50 см3 дистиллированной воды и переносят ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагируют порциями дихлорметана по 20 см3. В случае образования длительно не расслаивающейся (более 5 минут) эмульсии в смесь добавляют 1-2 г сухого хлорида натрия. Объединенный дихлорметановый экстракт (в делительной воронке нижний слой) очищают от соэкстрагирующихся примесей пропусканием через специально подготовленный полимерный патрон, оснащенный стеклянной пористой мембраной и заполненный силикагелем (100-200 меш, m=1 г), безводным сульфатом натрия (2 г) и небольшим комочком обезжиренной хлопчатобумажной ваты. Полученный экстракт упаривают досуха под вакуумом при давлении не выше 0,1 мм рт. ст. и температуре водяной бани 65-70°С (для предотвращения деструкции анализируемых компонентов и интенсификации испарения дихлорметана), полученный сухой остаток растворяют в 1,00 см3 четыреххлористого углерода и делят на две равные части. В первой части определяют ОУВ методом ИК-спектрометрии. Вторую часть сушат, остаток в колбе отдувают азотом до полного отсутствия четыреххлористого углерода, перерастворяют в 0,50 см3 ацетонитрила и определяют содержание ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.
Пример 1. Эксперименты проведены на мышечной ткани минтая, выловленного в районе, подверженном антропогенному загрязнению (залив Петра Великого Японского моря). Для этого филе минтая сушили до воздушно-сухого состояния в термостате при температуре 70°С, гомогенизировали на лабораторной шаровой мельнице до размера частиц, проходящих через сито с диаметром ячейки 0,5 мм. Навеску образца массой 2,00 г помещали в склянку, дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см3 на ультразвуковой бане мощностью 50 Вт.
Объединенный экстракт фильтровали через бумажный фильтр «белая лента» и упаривали досуха под вакуумом (при давлении 0,08 мм рт. ст.) на водяной бане при температуре 65°С. К масляному остатку прибавляли 2 см3 2%-ного спиртового раствора едкого натра и оставляли смесь для полного омыления при температуре 60°С (водяная баня) на 60 минут. К полученной смеси прибавляли 50 см3 дистиллированной воды и переносили ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см3. В образовавшуюся эмульсию добавляли 1 г сухого хлорида натрия. Объединенный дихлорметановый экстракт (в делительной воронке нижний слой) очищали от соэкстрагирующихся примесей пропусканием через специально подготовленный полимерный патрон, оснащенный стеклянной пористой мембраной и заполненный силикагелем (100-200 меш, m=l г), безводным сульфатом натрия (2 г) и небольшим комочком обезжиренной хлопчатобумажной ваты. Полученный экстракт упаривали досуха под вакуумом при давлении 0,08 мм рт.ст. и температуре водяной бани 65°С, полученный сухой остаток растворяют в 1,00 см3 четыреххлористого углерода и делили на две равные части. В первой части определяли ОУВ методом ИК-спектрометрии. Вторую часть сушили, остаток в колбе отдували азотом до полного отсутствия четыреххлористого углерода, перерастворяли в 0,50 см3 ацетонитрила и определяли содержание ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.
Результаты сведены в таблицу 1.
Таблица 1 | ||
Нижние границы определяемых концентраций исследованных ПАУ | ||
№ | ПАУ | НГОК, нг |
1 | нафталин | 0,53 |
2 | аценафтилен | 3,20 |
3 | бифенил | 1,60 |
4 | 2-метилнафталин | 0,23 |
5 | аценафтен | 0,11 |
6 | флуорен | 0,16 |
7 | фенантрен | 0,53 |
8 | антрацен | 0,40 |
9 | флуорантен | 3,20 |
10 | пирен | 0,40 |
11 | бенз(а)антрацен | 0,40 |
12 | хризен | 0,23 |
13 | бенз(b)флуорантен | 0,53 |
14 | бенз(k)флуорантен | 0,08 |
15 | бенз(а)пирен | 0,80 |
16 | дибенз(а,h)антрацен | 0,80 |
17 | бенз(g,h,i)перилен | 0,80 |
18 | ОУВ | 1 мкг |
Нижняя граница определяемых концентраций (НГОК) отдельных ПАУ составила от 0,08 до 3,2 нг, ОУВ - 1 мкг.
Пример 2. Используя метод «введено-найдено», проводили исследования степени извлечения 16 приоритетных полиароматических углеводородах (согласно классификации ВОЗ) и смеси общих углеводородов (турбинное масло ТП-22). Для этого готовили модельную смесь, прибавляя известное количество углеводородов (таблица 2) в матрицу (мышечная ткань минтая). Для этого филе минтая с внесенной смесью углеводородов сушили до воздушно-сухого состояния в термостате при температуре 75°С, гомогенизировали на лабораторной шаровой мельнице до размера частиц, проходящих через сито с диаметром ячейки 0,5 мм. Навеску образца массой 2,50 г помещали в склянку, дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см3 на ультразвуковой бане мощностью 50 Вт. Объединенный экстракт фильтровали через бумажный фильтр «белая лента» и упаривали досуха под вакуумом (при давлении 0,08 мм рт. ст.) на водяной бане при температуре 70°С. К масляному остатку прибавляли 2 см3 2%-ного спиртового раствора едкого натра и оставляли смесь для полного омыления при температуре 65°С (водяная баня) на 60 минут. К полученной смеси прибавляли 50 см3 дистиллированной воды и переносили ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см3. В образовавшуюся эмульсию добавляли 2 г сухого хлорида натрия. Объединенный дихлорметановый экстракт (в делительной воронке нижний слой) очищали от соэкстрагирующихся примесей пропусканием через специально подготовленный полимерный патрон, оснащенный стеклянной пористой мембраной и заполненный силикагелем (100-200 меш, m=1 г), безводным сульфатом натрия (2 г) и небольшим комочком обезжиренной хлопчатобумажной ваты. Полученный экстракт упаривали досуха под вакуумом при давлении 0,05 мм рт. ст. и температуре водяной бани 70°С, полученный сухой остаток растворяли в 1,00 см четыреххлористого углерода и делили на две равные части. В первой части определяли ОУВ методом ИК-спектрометрии. Вторую часть сушили, остаток в колбе отдували азотом до полного отсутствия четыреххлористого углерода, перерастворяли в 0,50 см3 ацетонитрила и определяли содержание ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.
Результаты сведены в таблицу 2.
Таблица 2 Степень извлечения общих и полиароматических углеводородов из модельного образца - мышцы минтая («введено-найдено») |
||||
№ | Название компонента | Введено, мкг | Найдено, мкг | Процент извлечения, % |
1 | Нафталин | 0,7000 | 0,3647 | 52,1 |
2 | Бифенил | 0,4000 | 0,2004 | 50,1 |
3 | 2-метилнафталин | 1,0000 | 0,7410 | 74,1 |
4 | Аценафтен | 0,0200 | 0,0151 | 75,3 |
5 | Флуорен | 0,0600 | 0,0427 | 71,1 |
6 | Фенантрен | 0,3000 | 0,2103 | 70,1 |
7 | Антрацен | 0,0400 | 0,0278 | 69,5 |
8 | Флуорантен | 0,0600 | 0,0301 | 50,2 |
9 | Пирен | 0,0600 | 0,0435 | 72,5 |
10 | Бенз(а)антрацен | 0,0400 | 0,0282 | 70,5 |
11 | Хризен | 0,0400 | 0,0316 | 78,9 |
12 | Бенз(b)флуорантен | 0,0400 | 0,0304 | 75,9 |
13 | Бенз(k)флуорантен | 0,0200 | 0,0152 | 75,8 |
14 | Бенз(а)пирен | 0,0600 | 0,0475 | 79,1 |
15 | Дибенз(а,h)антрацен | 0,0200 | 0,0160 | 80,0 |
16 | Бенз(g,h,i)перилен | 0,0400 | 0,0296 | 74,0 |
17 | Общие углеводороды | 100 | 80 | 80,0 |
Пример 3. Используя метод «введено-найдено», проводили исследования степени извлечения 16 приоритетных полиароматических углеводородах (согласно классификации ВОЗ) и смеси общих углеводородов (турбинное масло ТП-22). Для этого готовили модельную смесь, прибавляя известное количество углеводородов (таблица 3) в матрицу (донные осадки). Для этого донные осадки с внесенной смесью углеводородов сушили до воздушно-сухого состояния в термостате при температуре 75°С, гомогенизировали на лабораторной шаровой мельнице до размера частиц, проходящих через сито с диаметром ячейки 0,5 мм. Навеску образца массой 4,00 г, помещали в склянку, дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см3 на ультразвуковой бане мощностью 50 Вт. Объединенный экстракт фильтровали через бумажный фильтр «белая лента» и упаривали досуха под вакуумом (при давлении 0,1 мм рт.ст.) на водяной бане при температуре 70°С. К масляному остатку прибавляли 2 см3 2%-ного спиртового раствора едкого натра и оставляли смесь для полного омыления при температуре 60°С (водяная баня) на 60 минут. К полученной смеси прибавляли 50 см3 дистиллированной воды и переносили ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см3. В образовавшуюся эмульсию добавляли 2 г сухого хлорида натрия. Объединенный дихлорметановый экстракт (в делительной воронке нижний слой) очищали от соэкстрагирующихся примесей пропусканием через специально подготовленный полимерный патрон, оснащенный стеклянной пористой мембраной и заполненный силикагелем (100-200 меш, m=1 г), безводным сульфатом натрия (2 г) и небольшим комочком обезжиренной хлопчатобумажной ваты. Полученный экстракт упаривали досуха под вакуумом при давлении 0,1 мм рт.ст. и температуре водяной бани 70°С, полученный сухой остаток растворяли в 1,00 см3 четыреххлористого углерода и делили на две равные части. В первой части определяли ОУВ методом ИК-спектрометрии. Вторую часть сушили, остаток в колбе отдували азотом до полного отсутствия четыреххлористого углерода, перерастворяли в 0,50 см3 ацетонитрила и определяли содержание ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.
Результаты сведены в таблицу 3.
Таблица 3 Степень извлечения общих и полиароматических углеводородов из модельного образца - донные осадки («введено-найдено») |
||||
№ | Название компонента | Введено, мкг | Найдено, мкг | Процент извлечения, % |
1 | Нафталин | 0,7000 | 0,4984 | 71,2 |
2 | Бифенил | 0,4000 | 0,2884 | 72,1 |
3 | 2-метилнафталин | 1,0000 | 0,9230 | 92,3 |
4 | Аценафтен | 0,0200 | 0,0184 | 92,0 |
5 | Флуорен | 0,0600 | 0,0553 | 92,1 |
6 | Фенантрен | 0,3000 | 0,2802 | 93,4 |
7 | Антрацен | 0,0400 | 0,0380 | 95,1 |
8 | Флуорантен | 0,0600 | 0,0427 | 71,1 |
9 | Пирен | 0,0600 | 0,0547 | 91,2 |
10 | Бенз(а)антрацен | 0,0400 | 0,0384 | 96,0 |
11 | Хризен | 0,0400 | 0,0382 | 95,4 |
12 | Бенз(b)флуорантен | 0,0400 | 0,0391 | 97,8 |
13 | Бенз(k)флуорантен | 0,0200 | 0,0197 | 98,5 |
14 | Бенз(а)пирен | 0,0600 | 0,0592 | 98,7 |
15 | Дибенз(а,h,i)антрацен | 0,0200 | 0,0190 | 95,2 |
16 | Бенз(g,h,i)перилен | 0,0400 | 0,0390 | 97,6 |
17 | Общие углеводороды | 100,0000 | 92,0000 | 92,0 |
Предлагаемый способ по сравнению с прототипом характеризуется более высокой точностью определения ПАУ и ОУВ в различных матрицах за счет увеличения степени извлечения целевых компонентов при использовании ультразвуковой экстракции, а также повышения эффективности отделения углеводородов от липидов. При этом сокращаются продолжительность анализа (с 4,5 часов до 3 часов) и материальные затраты (в предложенном способе себестоимость анализов не превышает 200 рублей).
Способ определения общих и полициклических ароматических углеводородов в компонентах экосистемы, включающий отбор проб массой 2-4 г, их сушку, измельчение и двухкратную экстракцию целевых компонентов дихлорметаном при воздействии на пробу ультразвуковых колебаний, фильтрование объединенного экстракта и упаривание досуха при давлении не выше 0,1 мм рт.ст. и температуре 65-70°C, обработку экстракта 2 см3 2%-ного спиртового раствора едкого натра при температуре 60-65°C в течение 60 мин, после чего к экстракту прибавляют дистиллированную воду, двукратно экстрагируют целевые компоненты дихлорметаном, объединенный экстракт очищают на патроне, заполненном силикагелем и безводным сульфатом натрия, после чего его упаривают досуха, а сухой остаток растворяют в 1 см3 четыреххлористого углерода и делят на две равные части, из которых одну используют для определения общих углеводородов методом инфракрасной спектрометрии, а вторую часть сушат, отдувают азотом, а сухой остаток перерастворяют в ацетонитриле и используют для определения содержания полициклических ароматических углеводородов методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.