Люминесцентные методы определения полициклических ароматических углеводородов в оценке экологического состояния среды

ЭКОЛОГИЯ

УДК 535.37: 543.426

О. А. Дячук, Т.И. Губина, Г.В. Мельников ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ОЦЕНКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СРЕДЫ

Для увеличения интенсивности твердофазной люминесценции и снижения предела обнаружения полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) применялась модификация фильтровальной бумаги уксусной кислотой. Повысить селективность метода и избавиться от фонового сигнала удалось, применив явление переноса энергии от донора (акридинового красителя) к акцептору (ПАУ) на твердой матрице.

O.A. Djachuk, T.I. Gubina, G.V. Melnikov THE LUMINESCENT METHODS OF DETERMINATION OF POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS IN THE MONITORING OF ENVIRONMENT

The treatment of the filter paper by acetic acid has been used for the increasing of solid - phase luminescence intensity and reduction the limit of detection of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). To raise the selectivity of the method and to lower a background became possible during the application of the phenomenon of transfer of energy from the donor (acridine dye) to the acceptor (PAH) in the solid substrate.

Введение

Среди органических соединений, определяющих экологическое состояние окружающей среды, одно из первых мест занимают полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Содержание этих веществ в объектах окружающей среды требует постоянного контроля, поскольку ПАУ обладают канцерогенной и мутагенной активностью. В связи с этим актуальным является разработка простых, экспрессных и доступных методов определения ПАУ в объектах окружающей среды.

К настоящему времени известен целый ряд физико-химических методов определения ПАУ. Наибольшее распространение получил метод определения ПАУ, основанный на применении эффекта Шпольского [1, 2]. Этот метод применяется при анализе почв, растений, атмосферных осадков, при анализе горных пород и нефти, а также при анализе канцерогенных ароматических соединений в онкологии. Суть метода заключается в том, что после серии операций по пробоподготовке получают характерные

линейчатые спектры флуоресценции ПАУ при температуре жидкого азота (77К) с использованием специальных оптических криостатов, с последующей идентификацией этих спектров. Поскольку спектры флуоресценции ПАУ перекрываются, для повышения селективности определения используют в качестве аналитического сигнала фосфоресценцию определяемых полициклических ароматических углеводородов. Широкому распространению данного метода препятствует сложность проведения анализа в условиях низких температур.

При переходе от низких температур к комнатной (20-27°С) квантовый выход люминесценции резко снижается в результате увеличения скорости безызлучательных процессов. Снизить интенсивность этих процессов удалось, применив в качестве среды для наблюдения люминесценции ПАУ при комнатной температуре водно-мицеллярные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) [3, 4]. Однако достичь значительного увеличения чувствительности аналитического определения, по сравнению с методом, основанным на эффекте Шпольского, не удалось. Этому препятствовала возможность осуществления значительного концентрирования ПАУ в водно-мицеллярных растворах ПАВ.

Другой подход, получивший развитие в 70-х годах и позволивший также отойти от использования низких температур, связан с использованием твердых матриц, в которые вводились ПАУ [5]. В качестве аналитического сигнала использовалась фосфоресценция при комнатной температуре (ФКТ) ПАУ, сорбированных на твердой подложке [6, 7]. Было показано, что метод определения ПАУ, основанный на регистрации фосфоресценции ПАУ при комнатной температуре, по сравнению с низкотемпературным методом обладает большей селективностью, но меньшей чувствительностью. Известно применение фосфоресценции при комнатной температуре на твердой подложке для определения лекарств, пестицидов, полициклических ароматических углеводородов.

Установлено, что присутствие ионов тяжелых атомов (И+, Ag+, Pb2+, Pb4+, Br-, I-и др.) позволяет повысить интенсивность фосфоресценции ПАУ и снизить пределы их обнаружения [8,9]. Использование различных тяжелых атомов, способных в разной степени влиять на интенсивность и время жизни фосфоресценции люминофоров позволяет в ряде случаев проводить селективное определение ПАУ без предварительного выделения компонентов смеси [10]. Для увеличения интенсивности ФКТ фильтровальную бумагу модифицируют различными веществами [11]. Так, известно, что ледяная уксусная кислота вытесняет воду из целлюлозного волокна и нарушает его стеклообразную структуру [12]. Поэтому обработка фильтровальной бумаги уксусной кислотой может оказать существенное влияние на люминесцентные характеристики сорбированных ПАУ. Однако применение метода ФКТ ограничено тем, что не все ПАУ обладают достаточно интенсивной фосфоресценцией и регистрация слабых сигналов осложняется фоновым излучением пробы. Поэтому нами впервые были проведены исследования триплет-триплетного переноса энергии между донорами (акридиновыми красителями) и акцепторами (ПАУ) энергии на матрице целлюлозы.

Экспериментальная часть

Для проведения экспериментов был выбран представитель класса ПАУ пирен фирмы «Fluka». Он обладает значительной интенсивностью люминесценции и является наименее токсичным ПАУ. В работе использовались ацетат свинца и ледяная уксусная кислота марки ч.д.а. без дополнительной очистки. Исследуемой матрицей служила фильтровальная бумага марки «Красная лента». В качестве донора энергии электронного возбуждения использовался акридиновый краситель трипафлавин. Спектры люминесценции регистрировали на спектрофлуориметре, созданном на базе монохроматора ДФС-24, с разрешением 0,5 нм в спектральной области от 370 до 620 нм.

Замедленная флуоресценция регистрировалась на специально созданном импульсном флуориметре с временным разрешением 100 мкс. Время жизни долгоживущих триплетных состояний определялось по кинетике затухания замедленной флуоресценции после импульсного фотовозбуждения в полосе поглощения красителя.

Результаты и их обсуждение

При стационарном фотооблучении образцов фильтровальной бумаги, модифицированной ацетатом свинца, с сорбированным пиреном, нами получены спектры быстрой флуоресценции и фосфоресценции пирена при комнатной температуре, которые представлены на рис. 1 (кривая 1).

Из рис. 1 видно, что при добавлении уксусной кислоты в этанольный раствор пирена наблюдается увеличение интенсивности флуоресценции (=395 нм), подавление процесса образования эксимеров (=480 нм) и возрастание интенсивности ФКТ (=590 нм) пирена, сорбированного модифицированной нитратом таллия бумагой.

Анализ колебательной структуры спектра флуоресценции пирена позволил обнаружить возрастание отношения интенсивностей первого максимума к третьему (^Лз), (рис. 1) от ^Л3=1,42 в отсутствии уксусной кислоты до ^Лз^^ при увеличении концентрации уксусной кислоты до 2 М. Известно [14, 15], что по данному отношению, которое называется индексом полярности [14], можно судить о полярности среды в микроокружении молекул пирена. Полученные результаты можно объяснить тем, что молекулы пирена, растворенные в смеси этанола с кислотой, могут сорбироваться структурными участками бумаги более полярными (гидрофильными) по сравнению с менее полярными (гидрофобными) участками, где сорбируется пирен из этанольных растворов.

Рис. 1. Спектры люминесценции пирена, сорбированного фильтровальной бумагой из этанола (1) (концентрация пирена 10-3 М, концентрация ацетата свинца 0,6 М) и из этанольно-уксусной смеси (2) (концентрация уксусной кислоты 2М);

3 - фоновое излучение бумаги, модифицированной ацетатом свинца (С=0,6 М).

Все концентрации даны для растворов, из которых осуществлялась сорбция реагентов фильтровальной бумагой

Возрастание интенсивности флуоресценции

смесям, очевидно, связано с более эффективным взаимодействием пирена с матрицей фильтровальной бумаги. Это приводит к уменьшению вероятности как безызлучательной дезактивации энергии, так и тушения молекулярным остаточным кислородом вследствие потери подвижности сорбированных молекул пирена. Подтверждением предположения об изменении взаимодействия пирена с бумагой при добавлении кислоты является также возрастание интенсивности фосфоресценции пирена (рис. 1). Следовательно, комплексы пирена с тяжелыми атомами свинца, в присутствии уксусной кислоты, так же как и молекулы пирена, могут сорбироваться не только на гидрофобные, но и на гидрофильные структурные участки фильтровальной бумаги.

Присутствие уксусной кислоты в этанольном растворе приводит к снижению эксимерообразования пирена на бумаге ^=480 нм (рис. 1, кривая 2), что может способствовать увеличению интенсивности люминесценции мономеров.

Из рис. 1, кривая 3 (видно, что бумага, модифицированная ацетатом свинца) имеет фоновое излучение, которое затрудняет регистрацию слабофосфоресцирующих ПАУ.

С целью увеличения селективности определения ПАУ на твердой матрице и исключения фонового сигнала нами использовано явление переноса энергии электронного возбуждения между донором энергии акридиновым красителем -трипафлавином и определяемым ПАУ - пиреном. Процесс переноса энергии можно представить следующей схемой (рис. 2).

Е, см"1

30000

10000

Донор

Трипафлавин

31

о

Акцептор

Пирен

Рис. 2. Схема переноса энергии. Б0, Б1°, БД ТД Т1А - основное, первое синглетное возбужденное и триплетное состояние донора и акцептора соответственно

Для осуществления процесса триплет-триплетного переноса энергии электронного фотовозбуждения нами была специально подобрана система: донор энергии -

акридиновый краситель (трипафлавин) и акцептор - пирен. Основными требованиями для выбранной системы являются меньшее значение триплетных энергий акцептора и отсутствие поглощения акцептора при возбуждении в полосе поглощения донора [13]. В результате переноса энергии нами наблюдалось уменьшение интенсивности замедленной флуоресценции трипафлавина с увеличением концентрации пирена на фильтровальной бумаге. По полученным данным построена зависимость, представленная на рис. 3, и определена скорость Т-Т переноса энергии электронного возбуждения следующим образом.

1пЬ

I

1,2 -

0,4

0,6 -

0,8

1 -

0,2

5

10

15

С *105 м

'“'ПИреН 1 7 1

Рис. 3. Зависимость логарифма величины тушения замедленной флуоресценции донора энергии - трипафлавина от концентрации акцептора в матрице фильтровальной бумаги

По данным, представленным на рис. 3, определен критический радиус тушения замедленной флуоресценции донора по формуле Перрена:

где I, /0 - интенсивность замедленной флуоресценции донора с добавками акцептора энергии и без акцептора, измеренная через 0,5 мс после импульсного фотовозбуждения образца; СА - концентрация акцептора. Если СА выражено в моль/л, то наклон зависимости 1п (10/1) от СА, обозначенный а (рис. 3), можно представить следующим соотношением:

где то10 - константа скорости спонтанной дезактивации возбужденной молекулы донора (величина, обратная времени жизни триплетных состояний молекул донора) определялась по кинетике затухания замедленной флуоресценции донора - трипафлавина; Ь - средний эффективный Боровский радиус определялся по отношению интенсивностей замедленной флуоресценции.

Значение константы скорости дезактивации энергии триплетных состояний

молекул трипафлавина, сорбированных на бумаге , т-1д определено по кинетике

затухания замедленной фосфоресценции во времени после импульсного фотовозбуждения и составило 125 с-1.

Флуоресцентными методами определены коэффициенты распределения (1§ П), характеризующие эффективность сорбции пирена и трипафлавина на фильтровальной бумаге (табл. 1). Полученные данные свидетельствуют о более эффективной сорбции на бумаге гидрофобного пирена, чем гидрофильного красителя - трипафлавина.

а = V- 6,02• 1020 .

Вероятность Т-Т переноса энергии определялась по формуле:

кпер = Т~оП ехр(2Д/Ь) ,

Таблица 1

Параметры, определяющие триплет-триплетный перенос энергии электронного возбуждения в матрице фильтровальной бумаги.

Значения энергии триплетных состояний доноров и акцепторов энергии электронного возбуждения

Вещество Ег10-3, см-1 ig D кпер'10 , с

Трипафлавин (донор) 17,6 1,3 1,04

Пирен (акцептор) 16,9 4,9

Из результатов, представленных в табл. 1, следует, что, несмотря на яркое проявление гидрофобных и гидрофильных свойств пирена и трипафлавина, в результате сорбции они оказываются на столь незначительных расстояниях (~ 5А), что возможен процесс переноса энергии электронного возбуждения с высокой скоростью.

Сравнительные характеристики определения пирена на твердой матрице (фильтровальной бумаге) получены нами различными люминесцентными методами: флуоресцентными, фосфоресцентными и методом переноса энергии электронного возбуждения. Результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительные характеристики определения пирена на фильтровальной бумаге, полученные различными люминесцентными методами

Характеристики Методы обнаружения

Флуоресценция ФКТ Т-Т перенос

Cmirb М 9 • 10-8 3 • 10-8 4 • 10-7

Область линейности ГГ, М 2 • l0-7 - I0-5 ел 0 - 00 - 00 0 - о 2 0 - і ел 0 - сл

Фактор . Антрацен селективности < 0,6 3 ± 1 14 ± 1

Из данных, представленных в таблице, следует, что наименьшая концентрация пирена определяется фосфоресцентными методами. Наибольший диапазон концентраций, где реализуется линейность градуировочного графика, обнаружен для флуоресцентного метода. Наибольшая селективность определения пирена возможна при использовании метода переноса энергии.

Заключение

Таким образом, полученные результаты исследования триплет-триплетного переноса энергии электронного возбуждения свидетельствуют о том, что молекулы полициклических ароматических углеводородов, ионы акридиновых красителей и тяжелых атомов сорбируются на фильтровальной бумаге в микрообластях, обеспечивающих перекрывание электронных оболочек перечисленных реагентов. Фактор селективности определения пирена в смеси с ПАУ возрастает при использовании явления триплет-триплетного переноса энергии электронного возбуждения по сравнению с флуоресцентным способом определения ПАУ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ровинский Ф.Я. Фоновый мониторинг полициклических ароматических углеводородов / Ф.Я. Ровинский, Т.А. Теплицкая, Т.А. Алексеева. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 295 с.

2. Kozin I.S. Shpol'skii spectroscopy as a tool in environmental analysis for amino- and nitro-substituted polycyclic aromatic hydrocarbons: A critical evaluation / I.S. Kozin, C. Gooijer, N.H. Velthorst // Analytica Chimica Acta. 1996. Vol. 333. № 3. P. 193-204.

3. Jin W.J. Study on five polycyclic aromatic hydrocarbons by chemical deoxygenation micelle-stabilized room temperature phosphorimetry / W.J. Jin, C.S. Liu // Microchemical Journal. 1993. Vol. 48. № 1. P. 94-103.

4. Room temperature phosphorescence in the liquid state as a tool in analytical chemistry / J. Kuijt, F. Ariese, A.Th. Brinkman, C. Gooijer // Analytica Chimica Acta. 2003. Vol. 488. № 2. P. 135-171.

5. Parker R.T. The development of room temperature phosphorescence into a new technique for chemical determinations. Part 1. Physical aspects of room temperature phosphorescence / R.T. Parker, R.S. Freedlander, R.B. Dunlap // Analytica Chimica Acta. 1980. Vol. 119. № 2. P. 189-205.

6. Vo-Dinh T. The room-temperature phosphorescence of several polyaromatic hydrocarbons / T. Vo-Dinh, E. Lue Yen, J.D. Winefordner // Talanta. 1977. Vol. 24. № 2. P. 146-148.

7. Campiglia A.D. Fiber optic sensor for laser-induced room-temperature phosphorescence detection of polycyclic aromatic compounds / A.D. Campiglia, T. Vo-Dinh // Talanta. 1996. Vol. 43. № 10. P. 1805-1814.

8. Vo-Dinh T. Heavy-Atom Effect on Room Temperature Phosphorimetry / T. Vo-Dinh, E. Lue Yen, J.D. Winefordner // Analytical Chemistry. 1976. Vol. 48. № 8. P. 1186-1189.

9. Room temperature phosphorescence analyses of polycyclic aromatic hydrocarbons using an imaging sensing system combined with a bifurcated optical fiber and a cooled charge coupled device detector / A. Ghauch, J. Rima, C. Fachinger et al. // Talanta. 2000. Vol. 51. № 4. P. 807-816.

10. Vo-Dinh T. Selective Heavy-Atom Perturbation for Analysis of Complex Mixtures by Room-Temperature Phosphorimetry / T. Vo-Dinh, J.R. Hooyman // Analytical Chemistry. 1979. Vol. 51. № 12. P. 1915-1921.

11. Niday G.J. Matrix Effect on the Lifetime of Room-Temperature Phosphorescence / G.J. Niday, P.G. Seybold // Analytical Chemistry. 1978. Vol. 50. № 11. P. 1577-1578.

12. Роговин З.А. Химия целлюлозы / З.А. Роговин. М.: Химия, 1972. 72 с.

13. Безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения / В.Л. Ермолаев, Е.Н. Бодунов, Е.Б. Свешникова, Т.А. Шахвердов. Л.: Наука, 1977. 311 с.

Дячук Ольга Александровна -

аспирант кафедры «Экология»

Саратовского государственного технического университета

Губина Тамара Ивановна -

доктор химических наук, профессор, заведующая кафедрой «Экология»

Саратовского государственного технического университета

Мельников Геннадий Васильевич -

доктор химических наук, профессор кафедры «Прикладная физика»

Саратовского государственного технического университета