Использование микроэмульсий для извлечения эфиров о-фталевой кислоты из почвы с последующим разложением микроэмульсий, одновременным концентрированием и газохроматографическим определением целевых компонентов

УДК 543.544

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОЭМУЛЬСИЙ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЭФИРОВ о-ФТАЛЕВОЙ КИСЛОТЫ ИЗ ПОЧВЫ С ПОСЛЕДУЮЩИМ РАЗЛОЖЕНИЕМ МИКРОЭМУЛЬСИЙ, ОДНОВРЕМЕННЫМ КОНЦЕНТРИРОВАНИЕМ И ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИМ ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ЦЕЛЕВЫХ КОМПОНЕНТОВ

Н.Г. Толмачева*, А.В. Пирогов, О.А. Шпигун

Показана возможность использования микроэмульсий в качестве экстрагентов эфиров о-фталевой кислоты с последующим расслоением микроэмульсий, концентрированием диалкилфталатов в органической фазе и их газохроматографическим определением с масс-спектрометрическим детектированием. Степень концентрирования в этом случае достигает 18, а метод характеризуется низкими пределами обнаружения, хорошей селективностью и воспроизводимостью.

Ключевые слова: микроэмульсии, диалкилфталаты, газовая хроматография, масс-спектрометрия, концентрирование.

Микроэмульсии прямого типа представляют собой термодинамически стабильные микрогетерогенные системы, состоящие из прямых мицелл (капли масла, покрытые слоем поверхностно-активного вещества в водной фазе).

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) обладают уникальной способностью образовывать путем самоорганизации агрегаты молекул (мицеллы) при концентрации выше критической концентрации мицеллообразования, снижать поверхностное и межфазное натяжение в разбавленных растворах, солюбилизировать растворенные вещества. Эти свойства ПАВ широко используются в химическом анализе, что позволяет совершенствовать известные методы и создавать новые. Так, микроэмульсии используют в качестве реакционных сред для химических реакций, а также в качестве подвижных фаз в хроматографии. Они являются хорошими растворителями как для неполярных органических соединений, так и для неорганических солей [1-3]. Меняя состав микроэмульсий, можно изменять их свойства (размер капель, солюбилизирующие способности, термодинамическую и кинетическую устойчивость) [4]. При этом меняется и соотношение объемов масляной и водной фаз. Это может быть использовано для концентрирования определяемых компонентов в одной из фаз после расслоения микроэмульсий.

Недостатком микроэмульсий является то, что они являются сложными системами, включающи-

ми воду, ПАВ, а иногда и другие компоненты, которые нельзя использовать в газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС). Устранить мешающее влияние этих компонентов можно путем разрушения микроэмульсий, что приводит к образованию двух несмеши-вающихся фаз: «масло» и водная фаза, причем масляная (органическая) фаза подходит для ввода ее в ГХ-МС.

Для расслоения микроэмульсии на основе до-децилсульфата натрия (ДДСКа) применяют соли щелочноземельных металлов, образующие нерастворимые соли с ДДС№, удаляя таким способом ПАВ из системы [5]. В данной работе для расслаивания ПАВ предложено использовать соли кальция.

Цель данной работы состояла в изучении возможности применения микроэмульсий на основе ДДС№ в качестве ПАВ. Исследование проводили при разном содержании масла в качестве экстра-гента при извлечении эфиров о-фталевой кислоты (ДАФ) из почвы с последующим разложением микроэмульсий с помощью хлорида кальция и одновременным концентрированием определяемых компонентов в одной из фаз. В таком случае про-боподготовка образца со сложной матрицей сводится к нескольким простым и малозатратным по времени стадиям (растворение/смешивание МЭ, расслоение и центрифугирование), а концентрирование фталатов в одной из фаз снижает пределы обнаружения.

Экспериментальная часть

Приборы и материалы. В ходе работы использовали следующие реактивы: диметилфталат (ДМФ, «TCIEuropenv», Бельгия), диэтилфталат (ДЭФ, «TCIEuropenv», Бельгия), дибутилфталат (ДБФ, «TCIEuropenv», Бельгия), бензилбутил-фталат (ББФ, «TCIEuropenv», Бельгия), диэтил-гексилфталат (ДЭГФ, «TCIEuropenv», Бельгия), додецилсульфат натрия («Panсreac», Испания), н-бутанол («Carl Roth», Германия), изо-амиловый спирт («POCh», Польша), н-гексан («Panreac», Испания), ацетонитрил («Panreac», Испания), хлорид кальция («Merck», Германия).

Полноту осаждения ДДС№ определяли на сканирующем спектрофотометре «UVmini-1240» («Shimadzu», Япония). Степень извлечения фтала-тов и их распределение между органической и водной фазами определяли с помощью жидкостного хроматографа «Agilent 1100», оснащенного бинарным градиентным насосом, онлайн-дегазатором подвижной фазы, термостатом колонок, диодно-матричным детектором («Agilent Technologies», США). Сбор и обработку данных проводили с помощью программно-аппаратного комплекса «Chemstation» версии А.10.02. Для определения фталатов в почве использовали газовый хроматограф «Agilent 7890В», снабженный автоматическим устройством ввода пробы «Agilent Auto-sampler 7693», масс-спектрометром «Agilent 5977A MSD» («AgilentTechnologies», США). Сбор данных и обработку хроматограмм проводили с помощью программного обеспечения MassHunter («AgilentTechnologies», США). Для отбора аликвот использовали автоматические дозаторы с диапазонами установки отбираемого объема в интервалах 10-100, 20-200, 100-1000 и 1000-5000 мкл (предел допустимой относительной погрешности измерения не более ±5%, «Labmate», Польша). Взвешивание точных навесок проводили на весах «ExplorerPro» («OhausCorporation», США), точность которых составляла 0,0001 г. Для центрифугирования образцов использовали центрифугу «СМ-50» («Elmi», Латвия). Для проведения ультразвуковой жидкостной экстракции применяли ультразвуковую ванну «УЗВ» (ПКФ «Сапфир», Россия).

Приготовление микроэмульсий. В работе использовали две микроэмульсии прямого типа: МЭ1 (3% ДДС^ 0,8% н-гексана, 8% н-бутанола, 88,2% воды) и МЭ2 (3% ДДС№, 0,8% н-гексана, 6% изо-пентанола, 90,2% воды). Навеску ДДС№ растворяли в точно измеренном количестве воды в ультразвуковой ванне, затем вводили необходи-

мое количество н-гексана и спирта и снова перемешивали в ультразвуковой ванне до образования микроэмульсии (~5 мин).

Условия ВЭЖХанализа. В ходе работы использовали колонку Eclipse XDB-C18 (150x4,6 мм, размер частиц 5 мкм) («Agilent Technologies», США). Объем вводимой пробы 10 мкл. Рабочая температура колонки 20 °С. Скорость подачи элюента 1 мл/мин. Подвижная фаза - ацетонитрил:вода, градиентное элюирование.

Условия ГХ-МС анализа. Использовали ко -лонку HP-5MS (30мх250 мкмх0,25 мкм) («Agilent Technologies», США), подвижная фаза - гелий, скорость потока элюента 1 мл/мин. Объем вводимой пробы 1 мкл. Температурный градиент: с 40 до 130 °С со скоростью 50 °С/мин, со 130 до 250 °С со скоростью 5 °С/мин, с 250 до 300 °С со скоростью 10 °С/мин. Температура источника 230 °С. Масс-спектрометрическое детектирование проводили по следующим ионам: m/z 77, 91, 149, 150, 163, 167, 177 [6].

Пробоподготовка почвы. Для извлечения ДАФ из почв навеску воздушно-сухой почвы (5 г) помещали в коническую плоскодонную колбу на 100 мл. Добавляли 10 мл экстрагента, после чего колбу помещали в ультразвуковую баню на 10 мин. Отбирали 1 мл экстракта и центрифугировали при 16 000 об/мин в течение 3 мин. Затем отбирали надосадочную жидкость для дальнейшего хроматографического анализа.

При использовании микроэмульсии в качестве экстрагента после экстаркции в ультразвуковой бане к смеси добавляли избыток (по отношению к ДДС№) сухого хлорида кальция и помещали в ультразвуковую баню на 5 мин для осаждения ДДС№ и расслоения микроэмульсии, после чего отбирали «масляную» фазу и центрифугировали при 16 000 об/мин в течение 3 мин. Затем отбирали надосадочную жидкость для дальнейшего хрома-тографического анализа.

Результаты и их обсуждение

Ранее в литературе был предложен способ удаления ДДС№ из раствора с помощью добавления солей бария [5]. Недостатком использования солей бария для осаждения ДДС№ является образование рыхлого белого (творожистого вида) осадка додецилсульфата бария, что затрудняет отбор органической фазы и дальнейший хроматографический анализ, поэтому мы для этой цели использовали хлорид кальция. При этом осадок додецилсульфата кальция (Са(ДДС)2), который образуется на границе раздела двух фаз, не мешает отбору органической

Рис. 1. Образцы микроэмульсии МЭ1 с разной концентрацией хлорида кальция, мМ: 1 - 0,05; 2 - 0,07;

3 - 0,14; 4 - 0,35; 5 - 0,7 мМ

фазы и дальнейшему анализу, в основу которого положено следующее стехиометрическое равновесие:

2ДДСШ + Са2+ ~ Са(ДДС)2 + 2№+.

Было установлено необходимое количество Са2+ для расслаивания микроэмульсии и максимального осаждения ДДС№. Для этого к растворам МЭ1 и МЭ2 добавляли разное количество твердого хлорида кальция так, чтобы конечные концентрации ионов Са2+ в микроэмульсии составляли 0,05; 0,07; 0,14; 0,35 и 0,7 мМ (рис. 1).

Видно, что только при концентрации хлорида кальция 0,7 мМ в микроэмульсии (десятикратный избыток по отношению к ДДС№) начинается ее расслаивание и образование двух несмешиваю-щихся фаз. По литературным данным, присутствие полярных органических соединений (в данном случае - алифатические спирты), солюби-лизированных в мицелле ДДС№, обеспечивает сильную защиту от осаждения ДДС№ в присутствии хлорида кальция [7], поэтому для расслоения микроэмульсии требуется большой избыток соли кальция.

Полноту осаждения ПАВ в органическом слое после расслоения микроэмульсий при добавлении избытка соли кальция определяли спектрофотоме-трически. Метод основан на образовании в щелочной среде ионных пар ДДС№ с метиленовым

синим, экстракции этих ионных пар хлороформом с последующей обработкой полученного экстракта кислотой для устранения мешающих факторов и измерении оптической плотности полученного экстракта при длине волны 650 нм [8]. Результаты показали, что при добавлении десятикратного (по отношению к количеству присутствовавшего ДДС№ в системе) избытка сухого хлорида кальция, концентрация ПАВ оказалась меньше предела обнаружения (0,025 мкг/л), установленного используемой методикой.

Для проведения исследования мы выбрали ДАФ. Этот класс соединений широко применяется в качестве пластификаторов при изготовлении строительных материалов, одежды, пищевых упаковочных материалов, бытовой химической и медицинской продукции. Их определение в объектах окружающей среды является важной аналитической задачей на сегодняшний день. В литературе описаны методы извлечения ДАФ с использованием ацетонитрила в качестве экстрагента. Был проведен сравнительный анализ способности ацетонитрила, МЭ1 и МЭ2 экстрагировать ДАФ из почв. Для этого отбирали воздушно-сухую навеску почвы и добавляли строго определенное количество ДАФ, после чего добавляли экстрагент и помещали смесь в ультразвуковую баню. Для каждого экстрагента было проведено по три параллельных опыта. Результаты, представленные в табл. 1, показали, что МЭ1 (так же, как и ацетони-трил) хорошо экстрагирует ДАФ с высокими показателями гидрофобности (ДБФ, ББФ и ДЭГФ). Именно они чаще других используются в качестве пластификаторов и требуют повышенного контроля. Установлено, что микроэмульсия МЭ2 хуже экстрагирует ДАФ из почвы, поэтому в дальнейшем ее не использовали.

Было изучено распределение ДАФ между водной и органической фазами, образующимися после расслоения МЭ1, в зависимости от их ко-

Т а б л и ц а 1

Степень извлечения

Соединение Ацетонитрил МЭ1 МЭ2

ДМФ 101,2±5,1 91,7±4,6 77,4±3,9

ДЭФ 96,9±4,8 99,3±5,0 83,0±4,2

ДБФ 100,7±5,0 96,9±4,8 80,8±4,0

ББФ 100,5±5,0 100,4±5,1 91,7±4,6

ДЭГФ 101,5±5,1 95,2±4,8 94,8±4,7

эффициента распределения в системе октанол-вода. Для этого готовили растворы ДАФ в микроэмульсии и расслаивали их с помощью осаждения ДДС№ избытком хлорида кальция. Методом ВЭЖХ определяли концентрацию ДАФ в водной и органической фазах после расслаивания. Зависимость распределения эфиров о-фталевой кислоты от их log P представлена на рис. 2. Более гидрофобные ДБФ, ББФ и ДЭГФ полностью переходят в органическую фазу при расслоении микроэмуль-

сий, к тому же ДАФ со значением log P > 4,8 экстрагируются количественно.

После расслоения микроэмульсии образуются две не смешивающиеся между собой фазы («масло» и водная), благодаря чему гидрофобные вещества, полностью переходящие в масляную фазу, концентрируются за счет уменьшения объема, причем они находятся в среде, позволяющей использовать газовую хроматографию с масс-спектрометрическим детектированием.

120

К <ц

S 80

Q.

О,

U

40

IIIII

1 2 3 4 5

Рис. 2. Зависимость распределения между органической и водной фазами после расслоения МЭ1 от их коэффициента распределения в системе октанол-вода

Рис. 3. Хроматограммы экстрактов из почв, полученные методом ГХ-МС с использованием ацетонитрила (хроматограмма А) и МЭ1 (хроматограмма Б) в качестве экстрагентов. Колонка HP-5MS (30м*250 мкм*0,25 мкм), подвижная фаза - гелий, скорость потока элюента 1 мл/мин. Объем вводимой пробы 1 мкл. Температурный градиент: с 40 до 130 °С со скоростью 50 °С/мин, со 130 до 250 °С со скоростью 5 °С/мин, с 250 до 300 °С со скоростью 10 °С/мин. Температура источника 230 °С. Масс-спектрометрическое детектирование проводили по следующим ионам: m/z 77, 91, 149, 150, 163, 167, 177. Пики: 1 - ДБФ, 2 - ББФ, 3 - ДЭГФ

Т а б л и ц а 2

Извлечение ДАФ из двух почв с использованием ацетонитрила и МЭ1 в качестве экстрагентов

Определяемый компонент Концентрация определяемого компонента (С, мкг/г) в случае разных экстрагентов

почва 1 почва 2

МЭ1 ацетонитрил МЭ1 ацетонитрил

ДБФ 0,080±0,004 0,083±0,004 0,073±0,004 0,070±0,004

ББФ 0,029±0,002 0,021±0,002 0,0085±0,0005 -

ДЭГФ 0,100±0,006 0,096±0,005 0,078±0,004 0,080±0,005

Для определения правильности предложенного подхода готовили навески почв с точно известной концентрацией ББФ, ДБФ и ДЭГФ, извлекали их с помощью ацетонитрила и МЭ1 и определяли методом ГХ-МС, который обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами, главным образом, возможностью надежно идентифицировать соединения по масс-спектру. На рис. 3 представлены хроматограм-мы экстрактов почв. Степень концентрирования рассчитывали как отношение площади пика при экстракции фталатов микроэмульсией с последующим ее расслоением и анализом масляной фазы к площади пика, полученного при экстракции ацетонитрилом. При использовании МЭ1 степень концентрирования фталатов достигает примерно 18, что хорошо согласуется с теоретически максимально возможной.

Предложенный подход был использован для определения ДБФ, ББФ и ДЭГФ в двух образцах почв. Для сравнения в качестве экстрагентов использовали ацетонитрил и МЭ1 (с последующим расслоением). Полученные данные представлены в табл. 2 (п = 3, P = 0,95).

Работа выполнена при финансовой поддержке (проект № 16-03-00257) и Российского

Таким образом показано, что микроэмульсии прямого типа могут быть использованы в качестве экстрагентов гидрофобных соединений с их концентрированием в «масляной» фазе, образующейся после расслоения микроэмульсий, и последующим газохроматографическим анализом с масс-спектрометрическим детектированием. На примере определения ББФ в почве показано, что пределы обнаружения ДАФ при использовании МЭ ниже, чем при использовании ацето-нитрила в качестве экстаргента. Такой подход упрощает процесс пробоподготовки, уменьшая общее время анализа, и существенно снижает пределы обнаружения.

Предложен метод для извлечения анализируемых компонентов при их концентрировании в одной из фаз при расслоении микроэмульсий. Применимость данного метода была исследована на примере определения ДАФ в почве с использованием микроэмульсии состава 3% ДДС№, 0,8% н-гексана, 8% н-бутанола, 88,2% воды. Коэффициент концентрирования достигает 18. ДАФ с log P > 4,8 концентрируются в органической фазе количественно.

Российского фонда фундаментальных исследований

научного фонда (проект № 16-13-10079).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Vargas-Ruiz S., Schulreich C., Kostevic A., Tiersch B., Koetz J., Kakorin S., Klitzing R., Jung M., Hellweg T., Wellert S. // J. Colloid Interface sci. 2016. Vol. 471. N 1. P. 118.

2. Федорчук О.И., Куличенко С.А., Кочетков Г.М. // Методы и объекты химического анализа. 2010. T. 5. № 4. C. 202.

3. Водолазкая Н.А. // Вюник Харшвського нацюнального ушверситету. Хiмiя. 2011. Vol. 20. № 976. С. 100.

4. Sineva A.V., Ermolat'ev D.S., Perstov A.V. // Colloid J. 2007. Vol. 69. N 1. P. 96.

5. Kallay N., Pastuovic M., Matijevic E. // J. Colloid Interface sci. 1985. Vol. 106. N 2. P. 452.

6. Толмачева Н.Г., Пирогов А.В., Шпигун О.А. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2014. Т. 55. № 4. С. 207.

7. Pearson J.T., Lawrencw A.S.C. // Trans. Faraday Soc. 1967. Vol. 63. N 1. P. 488.

8. ГОСТ 31857-2012. Вода питьевая. Методы определения содержания поверхностно-активных веществ.

Поступила в редакцию 12.09.16

THE USE OF MICROEMULSIONS FOR THE EXTRACTION OF PHTALIC ACID ESTERS FROM SOILS WITH SUBSEQUENT DECOMPOSITION OF MICROEMULSIONS, SIMULTANEOUS PRE-CONCENTRATION OF DIALKHYLPHTHALATES IN ORGANIC PHASE AND FOLLOWING GC-MS DETERMINATION OF TARGET COMPOUNDS

N.G. Tolmacheva*, A.V. Pirogov, O.A. Shpigun

The use of microemulsions for the extraction of phtalic acid esters from soils with subsequent decomposition of microemulsions, simultaneous pre-concentration of dialkhylphthalates in organic phase and following GC-MS determination of target compounds was shown. The coefficient of concentration was 18. Method is characterized by low detection limits, good selectivity and reproducibility.

Key words: microemulsion, dialkylphthalates, gas chromatography, mass spectrometry, pre-concentration.

Сведения об авторах: Толмачева Наталия Геннадьевна - аспирант кафедры аналитической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (tolmacheva-natali@mail.ru); Пирогов Андрей Владимирович - профессор кафедры аналитической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, докт. хим. наук (pirogov@analyt.chem.msu.ru); Шпигун Олег Алексеевич - профессор кафедры аналитической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. докт. хим. наук, чл.-корр. РАН (shpigun@analyt.chem.msu.ru).