СПОСОБ ПОДГОТОВКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
METHOD OF PREPARING BIOLOGICAL SAMPLES FOR DETERMINING POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS

Изобретение относится к области экологической химии и может быть использовано для определения полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в биологических пробах.
Из-за высокой устойчивости и токсичности ПАУ относятся к одним из наиболее опасных соединений, изучение уровня накопления которых в объектах окружающей среды включено в программы экологического мониторинга многих стран.
Рыбы, являясь неотъемлемыми участниками жизнедеятельности водоемов, способны в различной степени накапливать и трансформировать ПАУ, содержащиеся в воде, донных отложениях, фито- и зоопланктоне, а также высшей водной растительности. Некоторые ПАУ, содержащиеся в организме рыб даже в малых концентрациях, могут вызывать патологические изменения, проявляющиеся в индуциро-образовании биохимических реакций ферментных систем, повышении частоты гистопатологических нарушений, распространении уродств на стадии развития эмбрионов и личинок и т.д. Накопление ПАУ в организме рыб может сопровождаться метаболизмом этих веществ, в процессе которого образуются химически активные соединения, оказывающие повреждающее воздействие на ДНК, РНК, вызывающее мутагенез и канцерогенез в потомстве.
Определение ПАУ в гидробионтах довольно сложная задача, т.к. растворители, используемые для экстракции ПАУ, одновременно извлекают и липиды, мешающие дальнейшему определению и которые наиболее трудно удалить из экстракта по сравнению с другими соэкстрагируемыми веществами. Поэтому большинство известных способов выделения ПАУ из гидробионтов основано на предварительном, возможно полном удалении липидов.
Известен способ определения микроколичеств углеводородов в биологических объектах (Авт. свид. СССР №1390561, МКИ G01N 30/06) (1), основанный на извлечении углеводородов нефти из исследуемой пробы экстракцией хлороформом в статических условиях в течение суток, очистке экстракта от соэкстративных веществ и делении углеводородов на группы колоночной хроматографией, где в качестве адсорбента используют оксид алюминия, импрегнированный азотистокислым натрием. Группы углеводородов (нормальные и изопреноидные, моно-, би- и трициклические углеводороды) выделяют из колонки последовательно гексаном, затем смесью гексан:эфир=8:2 и снова гексаном. Выделенные фракции концентрируют и анализируют на газовом хроматографе. Этим способом определяют углеводороды в биопробах с жирностью не более 8%. Но при более высоком содержании липидов в органах и тканях исследуемых биологических объектов этот способ недостаточно эффективен, т.к. дальнейшая очистка экстракта в колонке не обеспечивает полное удаление мешающих анализу липидов. Кроме того, для экстракции углеводородов из рыб используется хлороформ, в растворе которого некоторые ПАУ претерпевают изменения, что приводит к искажению получаемых результатов анализа.
3
3
3
Известен способ выделения ПАУ из гидробионтов (Рекомендации по выделению, идентификации и количественному определению углеводородных компонентов нефтяных загрязнений в гидробионтах и в продуктах, вырабатываемых из них. Москва, ВНИРО, 1988, 27 с.) (2), включающий щелочной гидролиз (50 г образца кипятят 3 часа в 300 см 92% этилового спирта в присутствии 24 г КОН); экстракцию (дважды 100 смгексана и затем 150 см смеси гексан:эфир=1:1); выделение суммы углеводородов - методом тонкослойной хроматографии в незакрепленном слое оксида алюминия; выделение полиаренов из суммы углеводородов при помощи тонкослойной хроматографии на силикагеле; идентификацию и количественное определение полиаренов - методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Недостатками данного способа является трудоемкость, длительность, многостадийность, что влечет за собой увеличение потерь и снижение точности анализа, а также неэкономичность, т.к. используются большие количества дорогостоящих реактивов.
Известен способ экстракции полиароматических углеводородов из объектов с органической и органоминеральной матрицей (Пат. RU №2281480, МПК G01N 21/64) (3), в котором экстракцию ПАУ из исследуемых проб проводят на ультразвуковой бане смесью н-гексана и гидрофильного органического растворителя (в соотношении 10:1), затем переводят упаренный экстракт в бензольный раствор и фракционируют последний методом ТСХ на силикагеле. Недостатком данного способа является то, что смесь н-гексана и полярного органического растворителя, используемая для экстракции ПАУ, одновременно извлекает значительное количество как полярных, так и неполярных соэкстрагируемых веществ, мешающих дальнейшему определению ПАУ.
Известен способ подготовки биологических проб, осуществляемый в соответствии с рекомендациями Международного совета по исследованию ИКЕС (ICES. Report of the ICES Advisory Committee 2008. Book 1. Introduction, Overviews and Special Requests, 2008. pp.243-278) (4). Замороженные после отбора образцы рыбы размораживают, гомогенизируют и подвергают щелочному гидролизу с последующей экстракцией углеводородов н-гексаном и очисткой экстракта на колонке с силикагелем. Основными недостатками способа являются потери ПАУ из-за многостадийности анализа и неполная очистка экстракта от липидов, мешающих дальнейшему анализу, а также трудоемкость и неэкономичность, т.к. используются большие количества дорогостоящих реактивов.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является, выбранный в качестве прототипа, способ определения полициклических ароматических углеводородов в биологических объектах (Пат. RU №2187106, МПК G01N 33/12) (5), включающий гомогенизацию пробы, обезвоживание безводным сульфатом натрия, экстракцию н-гексаном, хроматографирование сконцентрированного экстракта в колонке, заполненной силикагелем, импрегнированным гидроксидом натрия, и элюирование ПАУ 50-80 мл н-гексана. Недостатком данного способа является то, что н-гексан, используемый для экстракции ПАУ, одновременно извлекает и значительное количество мешающих дальнейшему определению липидов. Кроме того, отделение липидов методом колоночной хроматографии требует затрат большого количества элюента, что делает подготовку проб неэкономичной.
Цель изобретения - повышение эффективности извлечения ПАУ из биологических проб, повышение эффективности отделения липидов, уменьшение расхода дорогостоящих реактивов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности анализа полициклических ароматических углеводородов в биологических пробах, уменьшение трудовых и материальных затрат.
Это достигается тем, что в способе подготовки биологических проб для определения полициклических ароматических углеводородов, включающем гомогенизацию и обезвоживание пробы, экстракцию, очистку экстракта от липидов сорбентом, модифицированным гидроксидом натрия, элюирование с выделением полициклических ароматических углеводородов и их идентификацию с количественным определением, согласно изобретению экстракцию осуществляют ацетонитрилом, очистку экстракта от липидов проводят в статических условиях не менее 8 часов на сорбенте, модифицированном гидроксидом натрия, где в качестве сорбента используют оксид алюминия, а элюирование ПАУ проводят 5-10 мл ацетонитрила.
Использование ацетонитрила вместо наиболее широко распространенного н-гексана позволяет уже на первой стадии пробоподготовки решить 2 задачи - значительно повысить эффективность извлечения ПАУ из биологических проб и одновременно уменьшить количество липидов в экстракте. Связано это с тем, что при экстракции биологических проб ацетонитрилом липиды, из-за плохой их растворимости в ацетонитриле, значительно в меньшей степени извлекаются из исследуемых проб. При этом ацетонитрил более эффективно, чем н-гексан, извлекает ПАУ.
Выбор статических условий для очистки экстракта от липидов позволяет повысить эффективность очистки по сравнению с хроматографированием экстракта через колонку с сорбентом, а также значительно уменьшить затраты элюента. Очистка экстракта от липидов происходит за счет адсорбционных процессов на развитой поверхности сорбента, а также процесса щелочного гидролиза омыляемых липидов на поверхности сорбента. В статических условиях время контакта экстракта с гидроксидом натрия и сорбентом увеличивается многократно (в 10 раз), что обеспечивает более полную очистку экстракта от липидов. При этом для элюирования ПАУ требуется ацетонитрил в количестве 5-10 мл, что значительно меньше по сравнению с прототипом, где используется до 80-100 мл н-гексана. Для очистки экстракта от липидов требуется не менее 8 часов. Это позволяет пробы на очистку оставлять на ночь, а утром проводить элюирование ПАУ, что значительно экономит рабочее время.
Использование в качестве сорбента оксида алюминия связано с его более высокой энергией адсорбции по сравнению с силикагелем. Жиры, жирные кислоты, жирные спирты и ряд других соединений на оксиде алюминия сорбируются лучше, чем на силикагеле.
Способ осуществляется следующим образом.
Биологическую ткань, содержащую ПАУ, гомогенизируют, обезвоживают безводным сульфатом натрия, экстрагируют ацетонитрилом. Полученный экстракт концентрируют, затем проводят очистку сконцентрированного экстракта в статических условиях не менее 8 часов оксидом алюминия, импрегнированного гидроксидом натрия, после чего элюируют ПАУ 5-10 мл ацетонитрила. Идентификацию и количественное определение индивидуальных ПАУ проводят методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).
Эксперименты были проведены на интегральных пробах леща, а также печени леща, количество липидов в которой примерно на порядок выше, чем в интегральных пробах. В качестве добавок использовали растворы смеси 16 ПАУ, признанных Международной организацией по стандартизации в качестве приоритетных.
Пример 1. Сравнение извлечения сопутствующих липидов при экстракции ПАУ из биологического материала: н-гексаном (контроль) и ацетонитрилом (опыт).
Для экстракции брали по 5 г измельченной интегральной пробы леща и пробы печени леща, вносили безводный сульфат натрия и тщательно растирали до однородной массы. Экстракцию проводили на механическом встряхивателе последовательно порциями: на контрольных пробах - дважды гексаном (порциями по 20 мл), в опытных пробах - трижды ацетонитрилом (последовательно по 20, 15 и 10 мл). Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Извлечение липидов при экстракции ПАУ из биологического материала различными растворителями
Эксперимент
Экстрагент
Количество извлеченных липидов, мг/г влажной массы
из интегральной пробы
из печени
Контроль
н-гексан
20.0
90.0
Опыт
ацетонитрил
6.5
34.0
Полученные результаты показали, что при использовании в качестве экстрагента ацетонитрила (опыт) количество извлеченных липидов примерно в 3 раза меньше по сравнению с контролем, в котором в качестве экстрагента использовался и-гексан.
Пример 2. Сравнение эффективности очистки экстракта биологического материала от липидов способом, описанным в прототипе (контроль), и предлагаемым способом (опыт).
При использовании способа, описанного в прототипе (контроль), сконцентрированный гексановый экстракт биологического материала помещали на вершину колонки, заполненной силикагелем, импрегнированным гидроксидом натрия. Колонку промывали 100 мл гексана.
В предлагаемом способе (опыт) очистку от остаточного количества липидов (после экстракции ацетонитрилом) проводили с помощью оксида алюминия, импрегнированного гидроксидом натрия. В сконцентрированный до 5-10 мл ацетонитрильный экстракт добавляли 10-12 г импрегнированного сорбента и периодически помешивали в течение 8-10 часов. Элюирование ПАУ с сорбента проводили 5-10 мл ацетонитрила. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2
Эффективность очистки экстракта от липидов различными способами
Эксперимент
Способы очистки
Остаточное количество липидов в элюате, мг/г влажной массы
интегральная проба
печень
Конт-роль
На колонке с силикагелем (после экстракции н-гексаном)
7.6
39.0
Опыт
В статических условиях на оксиде алюминия (после экстракции ацетонитрилом)
часы
6
2.5-4.0
25.0
8
0.9-1.4
10.2
10
0.9-1.4
10.2
Как видно из таблицы 2, количество липидов, остающихся в элюате после очистки предлагаемым способом (опыт), примерно в 4-7 раз меньше, чем способом, описанным в прототипе (контроль).
Кроме того, из таблицы 2 видно, что для более полной очистки пробы от липидов предлагаемым способом продолжительность контакта экстракта пробы с сорбентом должна составлять не менее 8 часов.
Пример 3. Сравнение эффективности извлечения ПАУ из биологического материала способом, описанным в прототипе (контроль), и предлагаемым способом (опыт). Каждая серия проб (навески по 5 г) включала 3 параллельные пробы с известными добавками ПАУ и фоновую пробу. Серии проб биологического материала подготавливали к анализу двумя способами: описанным в прототипе (контроль), и предлагаемым способом (опыт). Идентификацию и количественное определение индивидуальных ПАУ проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Результаты анализа представлены в таблице 3.
Таблица 3
Степень извлечения ПАУ из биологического материала различными способами
Эксперимент
№ образца
Количество ПАУ, нг/г сырой массы
Степень извлечения ПАУ, %
Фон
Добавка
Извлечено
Контроль
1
18.5
60
53.8
68.5
2
60
47.7
60.8
3
60
51.2
65.2
среднее
64.8
Опыт
1
22.4
60
69.5
84.3
2
60
66.7
80.9
3
60
67.7
82.2
среднее
82.5
Полученные результаты показали, что степень извлечения ПАУ из биологического материала, подготовленного предлагаемым способом (опыт), в среднем на 17.7% выше, чем способом, описанным в прототипе (контроль). При этом при подготовке проб биологического материала способом, описанным в прототипе (контроль) используется 10-кратный объем гексана по сравнению с объемом ацетонитрила, используемого в предлагаемом способе (опыт).
Предлагаемый способ характеризуется более высокой точностью определения ПАУ в биоматериале высокой жирности за счет повышения извлечения ПАУ и эффективности отделения ПАУ от липидов. При этом значительно сокращаются материальные затраты (расход реактивов в прототипе в 10 раз больше, чем в предложенном способе).