Способ определения суммарного содержания F-, Cl- и Br-органических соединений в волосах на уровне следов
METHOD FOR DETERMINING THE TOTAL CONTENT OF F-, Cl- AND Br- ORGANIC COMPOUNDS IN HAIR AT THE LEVEL OF TRACES

Изобретение относится к области химии и касается области загрязнения внутренней среды человека, а именно экзогенными F-, Cl- и Br-содержащими органическими веществами, которые относятся к опасным соединениям.
В настоящее время актуальной проблемой является быстрое обнаружение загрязнения внутренней среды организма опасными органическими веществами, которые являются компонентами сложных смесей, состав которых неизвестен.
Наиболее опасными являются F-, Cl-, Br-, Р- и S-содержащие органические соединения (различные пестициды, полихлорбифенилы, полихлордибензодиоксины, (ПХДЦ), полихлордибензофураны (ПХДФ), полихлорбифенилы (ПХБ), и их бромированные аналоги).
Проблема обнаружения загрязнения внутренней среды человека такими опасными соединениями является актуальной для всех стран. Малые дозы рассматриваемых соединений приводят к пагубным последствиям, особенно в случае беременных женщин и новорожденных. Для ее решения используют различные физико-химические методы (в основном, хромато-масс-спектрометрию) для анализа таких биосубстратов, как плазма крови, грудное молоко, моча, волосы, ногти, слюна и др.
В подавляющем большинстве при определении органических соединений анализируются только заданные соединения. В тоже время человечество производит и использует сотни тысяч соединений. По данным ВОЗ более 40000 из них опасные и более 12000 - токсичные. Наиболее опасными из них являются F-, Cl-, Br-, S- и Р-содержащие.
Для биосубстратов анализ ведется на ограниченное число заданных соединений.
В тоже время для обнаружения загрязнения внутренней среды организма желательно установление всех опасных органических соединений (известных и неизвестных), содержащих в молекуле F, Cl, Br, S и Р. Кроме того, для анализа должна быть выбрана матрица (биосубстрат), в котором такие вещества аккумулируются во времени. Этому требованию соответствуют волосы.
Определение экзогенных S- и Р-содержащих органических соединений в случае волос в данном изобретении не рассматривается, так как в состав волос входят многие эндогенные соединения, содержащие серу и фосфор в молекуле.
Для определения в биосубстрате, в том числе в волосах, содержания большого числа элементов (до 50), (входящих в состав органических и неорганических соединений - эндогенных и экзогенных) одним из наиболее перспективных для определения микро- и ультрамикроэлементов в субстратах считается метод масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС). (см. Введение в медицинскую элементологию / И.В. Радыш, А.В. Скальный. - Москва: Российский ун-т дружбы народов, 2015, страницы 68-75/) [1].
Для подготовки образцов биосубстратов и препаратов аминокислот и биологически активных веществ к анализу методом ИСП-МС допускается использование двух методов разложения: 1) кислотное растворение в открытых сосудах, без полного разрушения органической матрицы; 2) кислотное разложение ("мокрое озоление") с использованием систем микроволновой пробоподготовки. Метод открытого разложения характеризуется следующими особенностями: высокой производительностью при небольшом расходе реактивов, что привлекательно малой поправкой на холостой опыт. Однако способ неприменим для разложения материалов, содержащих много жирового вещества и конкрементов (жировые ткани, новообразования во внутренних органах); при этом возможна частичная или иногда полная потери летучих элементов; органическая матрица, сохраняющаяся в растворах проб, может быть источником серьезных матричных помех при ИСП-МС измерениях, ограничивающих определение и изотопный анализ некоторых элементов.
Метод микроволнового разложения обеспечивает следующие преимущества: высокую производительность разложения; более полное окисление органической матрицы практически любых биосубстратов; существенное уменьшение потерь летучих элементов при разложении (см. МУК 4.1.1483-03, Определение содержания химических элементов в диагностируемых биосубстратах, препаратах и биологически активных добавках методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой, АНО Центр биотической медицины (д.м.н. А.В. Скальный, к.б.н. В.А. Демидов, к.м.н. М.Г. Скальная, Е.П. Серебрянский, А.Р. Грабеклис] [2].
-
Однако этот метод не позволяет проводить определение таких элементов, как F и Cl, а чувствительность при определении Br недостаточно высока. Кроме того, он не позволяет проводить высокочувствительное и селективное определение органических примесей в волосах, содержащих F, Cl и Br (в пересчете на элемент), в присутствии неорганических примесей, содержащих эти элементы. Неорганические примеси могут присутствовать в волосах.
2
Известен способ одновременного определения суммарного содержания F-, Cl-, Br-, I-, S- и Р-органических примесей в нефти и нефтепродуктах, основанный на высокотемпературном окислении анализируемой пробы в потоке чистого кислорода, абсорбции продуктов конверсии деионизованной водой, свободной от определяемых элементов. После поглощения в абсорбере продуктов конверсии деионизованной водой, сдувают образующийся в процессе высокотемпературного окисления СО потоком кислорода либо подачей в абсорбер инертного газа, подаваемого дополнительно в абсорбер. Весь объем абсорбата вводят через защитную колонку и соединенную с ней концентрирующую колонку, вытесняют элюентом большую часть воды из обеих колонок и затем тем же элюентом переводят в аналитическую колонку концентрат анионов, образующихся в результате абсорбции продуктов конверсии водой, проводят разделение воды и анионов, соответствующих определяемым элементам, методом ионной хроматографии в изократических условиях (патент RU 2395805) [3].
3
-
-
-
При анализе твердых продуктов нефтепереработки отобранную пробу вводят в лодочке в более холодную зону реактора в потоке кислорода с последующим перемещением лодочки в горячую зону и осуществляют операции, написанные выше. При анализе нефтей ввод пробы осуществляют с помощью микрошприца в холодную зону реактора в потоке кислорода с последующим перемещением реактора в горячую зону печи. Однако такой ввод пробы может приводить к частичному образованию хлора в процессе окислительной конверсии при более низкой температуре, который, взаимодействуя с водой в абсорбере, может приводить к образованию ионов ClO и ClO (наряду с Cl) [4]. Возможность образования хлора при сжигании хлорорганических соединений при 850°С отмечалась и в работе [5]. Образование хлора при сжигании нефтепродуктов может приводить к искажению результатов определения суммарного содержания хлорорганических соединений по рассмотренным причинам. Однако примеры, приведенные в описании способа в [3], отражали только результаты анализов, полученные при вводе проб летучих и среднелетучих продуктов нефтепереработки в горячую зону реактора. Анализ твердых продуктов не приведен. Необходимо отметить так же, что в прототипе не рассматривалась возможность присутствия в пробах нефтей и твердых продуктов нефтепереработки неорганических соединений, содержащих определяемые элементы F, Cl, Br и необходимость селективного определения галоген- и сераорганических соединений в присутствии неорганических.
Не специфицируется степень чистоты деионизованной воды (остаточные содержания галогенов), заполняющей контейнер и абсорбер. Не указывается, что неполное вытеснение воды из концентрирующей колонки ограничивает пределы обнаружения фтора в связи с неполным разделением пиков воды и аниона F".
Известен способ одновременного определения суммарного содержания F-, Cl-, Br-, S- и Р-содержащих органических соединений в воде и водных растворах, основанный на выделении этих соединений из пробы воды, насыщенной неорганической солью, экстракцией органическим растворителем, концентрированием анализируемых соединений из полученных экстрактов удалением растворителя потоком инертного газа в присутствии сорбента, переводом аналитов термодесорбцией потоком инертного газа в реактор, в который подается кислород. Продукты конверсии поглощают деионизованной водой, свободной от определяемых анионов, пропускают весь объем абсорбата через защитную и концентрирующую колонки, удаляют часть воды из свободного объема колонок элюентом, и им же переводят концентрат анионов - продуктов конверсии определяемых элементов в разделительную колонку, и проводят их анализ методом ионной хроматографии в изократических условиях. При этом желательно проводить процесс таким образом, чтобы скорость подачи концентрата и потока кислорода были такими, при которых исключается образование сажи на стенках реактора и обеспечивался полный перенос продуктов конверсии в абсорбер и их поглощение в зоне абсорбции (патент RU 2395804) [6].
Способ обеспечивает возможность селективного определения примесей среднелетучих галогенорганических соединений в воде и в присутствии соответствующих неорганических соединений, содержащих те же галогены благодаря выделению первых жидкостной экстракцией и высокотемпературной окислительной конверсии их концентрата, свободного от экстрагента. Ограничением этого способа является то, что определению подлежат только те среднелетучие галогенорганические соединения, которые извлекаются из воды выбранным экстрагентом (т.е. не все). Нелетучие и летучие органические соединения определению не подлежат. Кроме того, пределы обнаружения регистрируемых элементов повышаются за счет примесей среднелетучих галогенорганических соединений, которые могут присутствовать в растворителе-экстрагенте.
-
-
-
Ограничением указанного способа также является то, что для неизвестных компонентов смеси не известна степень их извлечения методом жидкостной экстракции. Кроме того, удаление воды из свободного объема колонки элюентом плохо воспроизводимо, что увеличивает погрешность определения аниона F, и снижает точность определения следовых количеств F в связи с неполным разделением пика воды и аниона F.
Актуальной задачей, которая решается настоящим изобретением, является быстрое, одновременное и высокоселективное определение всех (нормируемых и ненормируемых) F-, Cl-, Br-органических соединений в волосах (летучих, среднелетучих и нелетучих) на уровне следов, которое бы обеспечило возможность осуществления быстрого скрининга проб волос на содержание таких соединений (в пересчете на элемент).
Ни в одном из ранее известных способов не было известно метода прямого одновременного и высокоселективного определения суммарного содержания F-, Cl-, Br-органических соединений в волосах на уровне следов в присутствии неорганических соединений, содержащих определяемые элементы.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Предлагаемый новый способ одновременного определения суммарного содержания F-, Cl-, Br-органических соединений в волосах в присутствии неорганических соединений, содержащих эти же элементы, заключается в том, что проводят кратковременную промывку пробы волос деионизованной водой, содержание определяемых анионов в которой не превышает пределов детектирования по анионам F, Cl, Br, отделяют волосы от воды, сушат волосы, и помещают определенную навеску высушенных волос в кварцевую лодочку, быстро вбрасывают ее в высокотемпературную зону реактора с температурой 900-1000°С (как правило, в фиксированную зону с температурой около 950С), где происходит окислительная конверсия в потоке кислорода высокой степени чистоты, при такой скорости потока кислорода, при которой обеспечивается высокотемпературная конверсия галогенорганических соединений, присутствующих в волосах, до анионов F, Cl, Br в абсорбере, и в тоже время неорганические соединения, содержащие F, Cl, Br, остаются в реакторе. Продукты конверсии поглощают в абсорбере с деионизованной водой, свободной от определяемых анионов на уровне предела детектирования. При этом объем кислорода, пропущенный через реактор и абсорбер такой, чтобы в холостом опыте уровень фона аналитов в абсорбате соответствовал уровню фона в деионизованной воде, свободной от аналитов, заполняющей абсорбер до подачи кислорода в реактор. Весь абсорбат переводят в концентрирующую колонку и затем концентрат аналитов (F, Cl, Br), соответствующих определяемым элементам F, Cl, Br, анализируют методом ионной хроматографии в таких изократических условиях, которые обеспечивают полное отделение пика воды от пиков F и Cl и быстрое детектирование всех аналитов в условиях, когда электропроводность элюента на входе в детектор, близка к электропроводности деионизованной воды. При этом процесс сожжения пробы волос проводится в условиях, исключающих сажеобразование и выброс части абсората из абсорбера.
-
-
-
Для обеспечения высокой достоверности регистрации анализируемых анионов в продуктах окислительной конверсии волос, состав которых неизвестен, на входе элюента в детектор предпочтительно включают колонку, селективно связывающую анионы F, Cl и Br.
Подготовленную определенную навеску волос помещают в кварцевую лодочку и быстро вбрасывают лодочку в высокотемпературную зону реактора, температура которой обычно составляет 900-1000°С. Небольшие изменения температуры не оказывают значительного влияния на достигаемый результат. Предпочтительная температура в зоне реактора 950°С.
Лодочку вбрасывают таким образом, чтоб она фиксировалась в этой зоне (благодаря сужению реактора).
2
-
Проведенные эксперименты показали, что в выбранных условиях высокотемпературной окислительной конверсии волос исключалась возможность образования Cl и при анализе абсорбата регистрировался только пик Cl.
Кроме того, проведение окислительной конверсии при фиксированном положении лодочки с волосами в высокотемпературной зоне реактора после ее вброса в нее исключало случайное ее попадание в зону низкой температуры и обеспечивало более высокую воспроизводимость результатов анализа.
Для выяснения возможности высокоселективного обнаружения в волосах F-, Cl-, Br-органических соединений в присутствии неорганических соединений, содержащих в молекулах такие же элементы, был проведен анализ проб водных растворов NaF, NaCl и NaBr различной концентрации.
-6
-1
-
-
-
Пробы объемом 1 мкл вводили в лодочку, испаряли воду и лодочки с аналитом вбрасывали в потоке кислорода в реактор в зону 950°С. Показано, что для количеств элементов ниже, чем 4×10 г (10%) анионы F, Cl, Br в абсорбате не регистрировались, что свидетельствовало о возможности прямого высокоселективного обнаружения в волосах F-, Cl-, Br-органических соединений в присутствии неорганических, которые остаются в реакторе (суммарное содержание галогенорганических соединений в волосах на порядки меньше этой величины).
Предлагаемый способ отличается от каждого из ранее известных способов, описанных выше, исходным исследуемым объектом, его пробоподготовкой, условиями высокотемпературной окислительной конверсии, обеспечивающими возможность прямого, высокоселективного и достоверного обнаружения в волосах следовых содержаний галогенорганических соединений в присутствии галогенсодержащих неорганических соединений.
-
-
-
-11
-12
-
-
Способ обеспечивает возможность высокоселективного определения суммарного содержания F-, Cl-, Br-органических соединений в волосах на уровне следов при полной конверсии соответствующих органических соединений до F, Cl, Br. Количество этих элементов, зарегистрированных при анализе десятков проб волос (проба 1-2 мг) в подавляющем числе случаев было меньше 10-10 г, что свидетельствовало о высокоселективном обнаружении галогенорганических соединений в волосах. Проведение анализа методом ионной хроматографии в изократических условиях, которые обеспечивают отделение пика воды от пиков F и Cl и быстрое детектирование всех аналитов в условиях, когда электропроводность элюента на входе в детектор, близка к электропроводности деионизованной воды, обеспечивают максимальную чувствительность проводимого определения. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает возможность прямого, быстрого, высокоселективного и высокочувствительно определения суммарного содержания летучих, среднелетучих и нелетучих галогенорганических соединений в волосах (в пересчете на элемент) при наличии в них неорганических галогенсодержащих соединений.
Методика процедуры анализа и его особенности
1. Подготовка пробы к анализу
-
-
-
-11
-12
Пробу волос (не более 10 мг) длиной 3-5 см помещают в виалу объемом 5 мл, отмытую деионизованной водой, не содержащей аналитов (F, Cl, Br) на уровне пределов обнаружения методом ионной хроматографии (10-10 г/мкл) и промывают потоком такой же воды из установки по приготовлению деионизованной воды с сопротивлением 18,2 мОМ в течение 2 минут. Такое время принято в работах по анализу волос на содержание элементов методом ИСП-МС. Затем волосы отделяют от остатков воды и сушат потоком гелия. После сушки от пробы волос отделяют навески 1-2 мг.
Каждую из навесок помещают в кварцевую лодочку, предварительно прокаленную при 950°С в токе чистого кислорода.
2. Процедура селективного определения суммарного содержания F-, Cl- и Br-органических соединений (в пересчете на элемент) в пробе волос.
-
-
-
Перед началом опытов по окислительной конверсии проводят проверку фона деионизованной воды в кварцевом контейнере с этой водой по аналитам (F, Cl, Br) и проводят многократную промывку этого контейнера свежеполученной деионизованной водой до тех пор, пока уровень фона будет меньше пределов детектирования по аналитам.
Аналогичные измерения проводят для чистой деионизованной воды из кварцевого контейнера, помещенной в виалу объемом 2-5 мл, используемую в качестве абсорбера.
При одинаковом качестве чистой деионизованной воды из кварцевого контейнера и из абсорбера, через абсорбер пропускают поток чистого кислорода из реактора, температура внутри которого составляет 950°С.
Опыты по сжиганию навески волос осуществляют после того, как уровень фона воды по аналитам в абсорбере после пропускания кислорода через реактор будет таким же, как и в исходной чистой воде из кварцевого контейнера.
2
-
-
-
-6
Кварцевую лодочку с навеской волос быстро вводят в потоке кислорода высокой чистоты в фиксированную зону реактора, температура в которой составляет около 950°С и при такой скорости потока О, при которой обеспечивается сожжение волос и высокотемпературная окислительная конверсия галогенорганических соединений до анионов F, Cl, Br (в абсорбере) и в тоже время галогеннеорганические соединения остаются в реакторе (в количестве меньше 10 г). Высокотемпературная окислительная конверсия пробы волос проводится в условиях, исключающих сажеобразование и выброс продуктов конверсии из абсорбера. Продукты конверсии поглощают из потока чистого кислорода в абсорбере с деионизованной водой, свободной от определяемых анионов на уровне предела детектирования, и весь абсорбат переводят в концентрирующую колонку. Объем кислорода, пропущенный через реактор и абсорбер такой, чтобы в холостом опыте уровень фона аналитов в абсорбере соответствовал уровню фона деионизованной воды, заполняющей абсорбер, до подачи кислорода в реактор.
-
-
-
-
-
Затем концентрат анионов (F, Cl, Br), соответствующих определяемым элементам F, Cl и Br, анализируют методом ионной хроматографии в таких изократических условиях, которые обеспечивают полное отделение пика воды от пиков F и Cl и быстрое детектирование всех аналитов в условиях, когда электропроводность водного раствора, проходящего через детектор, близка к электропроводности деионизованной воды.
Изобретение может быть проиллюстрировано следующими конкретными примерами осуществления.
Пример 1.
В соответствии с процедурой определения суммарного содержания F-, Cl- и Br-органических соединений был проведен анализ соответствующих соединений в растворах. Полученные данные приведены в Таблице 1.
Относительное стандартное отклонение (Sr) не превышало 0,2.
В лодочку вносили около 1 мкл раствора пестицида и после испарения растворителя лодочку быстро вводили в фиксированную зону реактора с температуре 950°С.
-
-
Как видно из приведенных в Таблице 1 данных, результаты определения содержания соответствующих элементов (Cl и Br) при использовании предложенного способа определения являются правильными (расхождения между заданными значениями и экспериментальными не превышает погрешности определения).
Пример 2.
В соответствии с процедурой определения суммарного содержания F-, Cl- и Br-органических соединений был проведен анализ тех же соединений, что приведены в Таблице 1, нанесенных на пробы волос, помещенные в лодочки, из раствора в ацетоне (после упаривания растворителя). Навеска волос составляла около 1 мг, объем пробы наносимого раствора - около 1 мкл.
Полученные данные приведены в Таблице 2.
Как видно из приведенных в Таблице 2 данных, результаты определения содержания элементов Cl и Br, при нанесении соответствующих соединений на волосы из раствора в ацетоне и последующем испарении растворителя, значимо не отличаются от заданных величин и полученных при нанесении в лодочки раствора в ацетоне (в отсутствие волос) и испарении растворителя.
Пример 3.
В соответствии с процедурой определения суммарного содержания F-, Cl- и Br-органических соединений в волосах (в пересчете на элемент) был проведен анализ проб волос, полученных от различных людей (из России и Бангладеш).
Полученные результаты приведены в Таблице 3.
Sr - относительное стандартное отклонение, не превышало 0,3.
Как видно из приведенных в Таблице 3 данных, в подавляющем числе проб волос суммарное содержание F, Cl, Br входящих в состав молекул органических соединений, не превышало пределов обнаружения по массе в %. Однако в трех случаях из 40 проб наблюдалось значимое увеличение содержания по F, Cl, Br.
Полученные данные обеспечивают возможность осуществления быстрого скрининга проб волос на суммарное содержание F-, Cl-, Br-органических соединений на ультранизком уровне.
Результаты, полученные с использованием предложенного способа, дают сжатую информацию о суммарном содержании опасных органических соединений (известных и неизвестных), присутствующих в волосах и во всем организме. В случае необходимости отобранная в результате скрининга проба может быть проанализирована общепринятыми методами хромато-масс-спектрометрии.
Достижение получаемого результата в условиях предлагаемого способа не является для специалиста в данной области ожидаемым или очевидным при прямом высокоселективном одновременном определении следовых количеств суммарного содержания F-, Cl-, Br-органических соединений в волосах в пересчете на элемент в присутствии неорганических соединений, эти же элементы содержащих, на ультрамикроуровне. Доказательством этого является отсутствие публикаций по прямому высокоселективному определению суммарного содержания известных и неизвестных F-, Cl-, Br-органических соединений в волосах на уровне следов и в присутствии F-, Cl-, Br-неорганических соединений.
Ссылки:
1. Введение в медицинскую элементологию / И.В. Радыш, А.В. Скальный. - Москва: Российский ун-т дружбы народов, 2015. - 198 с.
2. МУК 4.1.1483-03 Определение содержания химических элементов в диагностируемых биосубстратах, препаратах и биологически активных добавках методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой, АНО Центр биотической медицины (д.м.н. А.В. Скальный, к.б.н. В.А. Демидов, к.м.н. М.Г. Скальная, Е.П. Серебрянский, А.Р. Грабеклис).
3. Патент №2395805, 2010 г. Способ одновременного определения суммарного содержания F-, Cl-, Br-, I-, S- и Р-органических соединений в нефти и продуктах переработки нефти, И.А. Ревельский, А.И. Ревельский, Е.Н. Капинус.
4. Химическая энциклопедия, том 5, Большая Российская Энциклопедия, М., 1998 с. 280.
5. Kursta S., Volinsky A., Kurta М., Environmental Friendly Organoclorine Waste Processing and Recycling // Journal of Cleaner Prodiction 2013 V. 54 P. 150.
6. Патент №2395804, 2010 г. Способ одновременного определения суммарного содержания F-, Cl-, Br-, I- и S-органических соединений в воде и водных растворах И.А. Ревельский, А.И. Ревельский, Е.Н. Капинус.