Анализ диоксинов методом газовой хроматографии – масс спектрометрии высокого разрешения

Анализ диоксинов методом газовой хроматографии — масс спектрометрии высокого разрешения изотопное соединение спектральное разрешение диоксина Диоксин — одно из наиболее токсичных техногенных веществ. Однажды попав в наш мир, он остается в нем неизменным, поскольку не существует бактерий, способных его эффективно разлагать. Также диоксин встраивается в цепи питания, накапливаясь в тканях животных, двигаясь вверх.

Самый токсичный представитель этих соединений — 2,3,7,8-тетрахлордибензо-пара-диоксин (ТХДД). Источниками поступления диоксинов в окружающую среду служат сточные воды и особенно воздушные выбросы предприятий по переработке отходов, производству хлорорганических соединений, пластмасс гербицидов, алюминия, меди, кабельной продукции и др. Диоксины выделяются, когда используются высокотемпературные технологии, при лесных пожарах, сжигании промышленных и городских отходов. В мире зарегистрировано более двухсот промышленных аварий, в результате которых диоксины были выброшены в атмосферу. Исследования, проведенные с экспериментальными животными, показали, что диоксины, особенно ТХДД, оказывают токсическое воздействие практически на все системы организма — нервную, эндокринную, пищеварительную, кожные покровы, приводят к нарушению обмена веществ — углеводов, жиров, витаминов, гормонов. При введении ТХДД беременным животным возникают нарушения развития плода, рождается больное, нежизнеспособное потомство.

Определение диоксинов в объектах окружающей среды и в биологических объектах — одна из труднейших аналитических задач. В первую очередь это связано с тем, что токсикологические свойства диоксинов требуют, чтобы пределы их обнаружения в различных матрицах были существенно ниже тех, что характерны для многих задач органического анализа, в том числе определения пестицидов. Не менее важно и структурное разнообразие как самих определяемых веществ, так и сопутствующих им соединений. Другими словами, речь идет о необходимости определения всей группы диоксинов (обычно это одновременно десятки веществ), отдельные изомеры и гомологи которых принципиально различаются по токсичности. Сейчас для анализа используется хромато-масс-спектрометр высокого разрешения. Он удовлетворяет требованиям методик, являющихся в мире основной методов определения диоксинов, имеется большой арсенал вспомогательного лабораторного оборудования, без которого невозможно проведения эффективной пробоподготовки.

Высокое разрешение (Приборы с двойной фокусировкой)

Высокое масс-спектральное разрешение, необходимое для определения диоксинов, обычно достигается на приборах с двойной фокусировкой на базе использования магнитного и электростатического полей. Сердцем прибора с двойной фокусировкой является магнит. Спектрометр с двойной фокусировкой — тип масс-спектрометра с фокусирующими электрическим и магнитным полем.

(Спектрометр, в котором частицы проходят только участок с магнитным полем, и отсутствует электрическое поле, называется также спектрометром с одинарной фокусировкой.) В магнитном поле частицы с разной массой, но одинаковой кинетической энергией, двигаются по траекториям с разными радиусами кривизны.

Влетающие в магнитное поле частицы двигаются не параллельно — пучок имеет некоторую угловую ширину. Это приводит к погрешности определения радиуса траектории. Однако выбирая положение детектора, можно добиться фокусировки пучка по траекториям, не добавляя элементов в систему. Так, на Рис. 1 приведена схема т. н. «полукруговой фокусировки» — траектории с равными радиусами кривизны, выходящие из источника S с небольшим разбросом по направлениям, сходятся после прохода половины окружности — 180 градусов. Фокусировка по траекториям, которую можно выполнить в магнитном поле, уменьшает погрешность, вызванную разбросом скоростей частиц в пучке по направлению. Однако серьезную погрешность вносит также разброс по величине кинетической энергии. Для уменьшения этого типа погрешности в схему вводится дополнительный элемент — участок с электрическим полем. Поле создается конденсатором специальной формы Выйдя из источника S₁, пучок проходит через электрическое поле, где осуществляется фокусировка по энергии, а затем — через магнитное поле, где осуществляется фокусировка по траекториям.

При использовании масс-спектрометрии высокого разрешения возможно получения очень точного значения молекулярной массы, что позволяет по известным табличным данным получить брутто-формулу вещества, до величины массы несколько больше 1000 а.е.м.

В настоящее время для анализа диоксинов применяют масс-спектрометрию высокого разрешения (МСВР). Именно с этим связывают высокую стоимость самого анализа. Для того, чтобы проводить анализ с использованием менее дорогих приборов необходимо было проводить более сложную подготовку проб, улучшить хроматографическое разрешение, а также поднять чувствительность настольных хромато-масс-спектрометров. что добавляет большое количество проблем в процессе исследования диоксинов. Анализы диоксинов обычно очень дороги, трудоёмки и продолжительны, даже в тех случаях, когда существуют отлаженные системы их определения. Продолжительность проведения анализа варьируется от нескольких дней до нескольких недель, а стоимость зависит от типа анализируемого образца: от 1200 дол. за анализ отдельного биологического объекта до 10 000 дол. за проведение всестороннего анализа выбросов из мусоросжигательных установок. Для получения надёжных результатов необходимо поддерживать высокую чистоту лаборотрных помещений, по крайней мере на уровне, требуемом при проведении работ по генной инженерии. Также требуется применение специальных высокочистых органических растворителей, неорганических кислот, адсорбентов и других химически чистых реактивов и материалов.

Изотопно-меченые стандарты

Наиболее подходящими стандартами, ближе всего соответствующими анализируемым веществам, являются изотопно-меченые соединения (13С, 2Н). Благодаря этому изотопно-меченые стандарты идеально подходят для контроля всей процедуры анализа, начиная с извлечения определяемых компонентов из пробы, очистки и концентрирования, поскольку при определении очень малых количеств веществ важно правильно оценить эффективность всех операций пробоподготовки. В частности, в качестве внутренних стандартов при экстракции и определении .

Анализу диоксинов предшествует тщательная подготовка пробы, экстракция, многостадийная очистка. В пробу добавляется внутренний стандарт — изотопно-меченый диоксин, в котором все атомы ¹²С заменены на ¹³С. Это позволяет, с одной стороны, количественно оценивать содержание диоксинов в пробе и, с другой стороны, знать степень извлечения диоксинов из исходной пробы и уровень потерь при пробоподготовке.

Суррогатный стандарт; SIS (Swedish Standards Institute): Смесь конгенеров ПХДД/ДФ или ПХБ, изотопно-меченых по углероду С13, вводимая в пробу на стадии обработки для контроля полноты извлечения и количественных расчетов.

Диоксиновый эквивалент (tef /teq) — Другое названия «токсичный эквивалент» (toxicity equivalency). Система расчетов, позволяющая вычислить токсические характеристики любой реальной смеси диоксинов, если предварительно определено содержание в ней каждого действующего компонента. В качестве эталонного соединения используется наиболее токсичный диоксин — 2,3,7,8-ТХДД, также известный как «диоксин I». Благодаря ДЭ, токсичность любой смеси различных диоксинов может быть выражена через токсичность 2,3,7,8-ТХДД (I), взятого в эквивалентном по токсичности количестве (в весовых количествах I). Сложность данной задачи и несопоставимость исходных токсикологических посылок пока не позволяют разработать единую систему диоксинового эквивалента, признанную всеми группами ученых.

Почему анализируют только некоторые конгенеры ПХДД/ПХДФ и копланарных ПХБ?

Отбор проб полихлорированных бифенилов (ПХБ), полихлорированных дибензо-пара-диоксинов (ПХДД), также называемых оксантренами, и полихлорированных дибензофуранов (ПХДФ) в воздухе замкнутых помещений описан в ИСО 16 000−13, а соответствующие методики экстракции, очистки и анализа проб методами газовой хроматографии высокого разрешения/масс-спектрометрии установлены в ИСО 16 000−14. При отборе и анализе проб на содержание полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) можно применять ИСО 12 884.

Некоторые ПХБ, ПХДД/ПХДФ и ПАУ считаются потенциальными канцерогенами для человека. Существует 209 индивидуальных ПХБ (конгенеры), 75 — ПХДД и 135 — ПХДФ. Наиболее токсичны компланарные ПХБ, по структуре подобные ПХДД.

Поскольку проведение анализа сопровождается большими затратами, перед проведением анализа воздуха замкнутого помещения стоит четко определять цель измерений. Возможными целями измерения могут быть:

a) получение информации о среднем содержании в обычных условиях.

b) получение информации о пиковом содержании (особые условия);

c) проверка соответствия норме;

d) получение информации о соотношении содержания определяемых загрязнителей в атмосферном воздухе и воздухе замкнутого помещения.

Пределы обнаружения

Предел обнаружения в химическом анализе — минимальное содержание определяемого вещества в пробе, сигнал от которого можно надёжно отличить от фона. Сигнал, равный или превышающий уровень сигнала, установленный для предела обнаружения, с вероятностью более 99% означает, что он относится к искомому компоненту. Если аналитическая задача сводится к решению вопроса о наличии компонента в пробе, то получение такого аналитического сигнала является достаточным основанием для принятия решения о наличии искомого компонента. Предел обнаружения устанавливается в процессе валидации методики анализа путём многократных измерений сигнала холостой пробы и последующего вычисления стандартного отклонения. Иногда предел обнаружения используют в качестве характеристики универсального измерительного прибора (спектрометров, хроматографом и т. п.). При этом следует понимать, что при применении таких измерительных приборов в конкретных аналитических методиках требует проверки предела обнаружения на матричных холостых пробах.

Для диоксинов не существует таких норм, как ПДК — эти вещества токсичны при любых концентрациях. ЛД₁₀₀ (моль/кг) для различных ядов. По этому показателю диоксины и фураны (3,110-⁹) превосходят самые сильные химические яды. Сейчас признано недопустимым присутствие диоксинов в продуктах питания, воздухе и питьевой воде. Достичь же этого практически невозможно. Поэтому различными службами контроля и охраны окружающей среды и здоровья человека в большинстве развитых стран установлены нормы допустимого поступления диоксинов в организм человека, а также ПДК или уровни их содержания в различных средах (воздухе, воде, почве и т. д.).

ГХ-МС метод определения позволяет достигнуть следующих пределов обнаружения диоксинов в различных матрицах: молоко — 0,1−0,5 нг/л, рыба — 0,1−1,0 нг/кг, жировая ткань 2−10 нг/кг, печень — 1,0 нг/кг.

Пищевая цепь является основным путём поступления диоксинов в организм.

С продуктами питания в организм поступает 98%, с воздухом — 2%, питьевой водой — менее 0,01% общего поступления диоксинов. Человек массой 70 кг в течение дня получает ТХДД (в пг/кг) с пищей — 0,35, с воздухом — 0,006 и потребительскими товарами — 0,001. По данным агентства по охране окружающей среды США суточное поступление диоксинов составляет 1 пг/кг. По другим источникам среднее поступление диоксинов в организм колеблется в пределах 0,03 — 0,05 нг/сут. В пробах городского воздуха в г. Гамбурге было определено 0,02 пг/м3 ТХДД. Если человек вдыхает 20 м³ воздуха в день, то это составляет 0,006 пг ТХДД.

Из продуктов питания поступает 50% диоксинов с мясом, 27% - с молоком, 10% - с рыбой и 11% - с другой пищей. Установлено, что уровень диоксинов в молоке в 40−200 раз выше чем в тканях организма. Расчеты показывают, что из 1 литра молока организм получает в 12 раз большую дозу ПХДД, чем за счет вдыхаемого воздуха за одни сутки. Значительное количество диоксинов могут поступать с корнеплодами (картофель, морковь, свекла и др.), т.к. большая часть их задерживается в корневых системах растений и только 10% - в наземных частях.

Диоксины чрезвычайно стабильны в живых организмах, следствием чего является их длительное сохранение в биосфере.

Токсико-кинетические исследования последних лет показали, что они очень медленно выводятся из живых организмов, а из организма человека практически не выводятся. В таблице 2 приведены данные о периоде полувыведения высокотоксичного диоксина 2,3,7,8-ТХДД из живых организмов.

Диоксины — высокотоксичные, стойкие вещества, которые представляют опасность для человека и окружающей среды. Обнаружение диоксинов является важной задачей в изучении и устранении их источников. ГХ-МС располагает всеми необходимыми характеристиками для точного анализа диоксинов, такими как: чувствительность, скорость проведения анализа, упрощение подготовки проб и т. д. На данный момент использование газового хромато-масс-спектрометра высокого разрешения является наиболее качественным и точным методом анализа диоксинов.

Размещено на Allbest.ru.