СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩИХ И ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В КОМПОНЕНТАХ ЭКОСИСТЕМЫ
METHOD OF DETERMINING GENERAL AND POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS IN COMPONENTS OF ECOSYSTEM

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.
3
3
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 см 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 см 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.
3
3
Признаки «… фильтрование объединенного экстракта и упаривание досуха при давлении не выше 0,1 мм рт.ст. и температуре 65-70°C, обработку экстракта 2 см 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 см 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.
3
3
3
3
3
3
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 см (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 см 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 см дистиллированной воды и переносят ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагируют порциями дихлорметана по 20 см. 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 см 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 см ацетонитрила и определяют содержание ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.
3
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 см на ультразвуковой бане мощностью 50 Вт.
3
3
3
3
3
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 см 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 см дистиллированной воды и переносили ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см. 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 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 см 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.
3
3
3
3
3
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 см 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 см2%-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 см дистиллированной воды и переносили ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см. 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 см 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 2Степень 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
3
3
3
3
3
3
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 см 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 см 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 см дистиллированной воды и переносили ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см. 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 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 см 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 3Степень 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).