Бенз(а)пирен: его свойства, канцерогенное действие, методы его определения

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Данная курсовая работа содержит 30 страниц, 1 раздел, 4 подраздела, 14 пунктов, 6 таблиц и 9 рисунков. В конце курсовой работы представлен список литературы, состоящий из 14 пунктов.

Объектом моих исследований является бенз(а)пирен, его свойства, канцерогенное действие, а также методы его определения. В курсовой работе представлены такие методы как газовая хроматография с масс-спектроскопическим детектированием и высокоэффективная жидкостная хроматография с флуорисцентным детектированием. Кроме этого были рассмотрены детекторы, которые подходят для регистрации аналитического сигнала бенз(а)пирена и обоснована рациональность использования того или иного детектора.

Также в курсовой работе представлены методики определения бенз(а)пирена в воде, состоящие из подготовки пробы, градуировки хроматографа, анализа и регистрации данных. В работе представлены хроматограммы, полученные по данным методикам.

Ключевые слова: ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ, БЕНЗ(А)ПИРЕН, ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ, ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ, ФЛУОРИСЦЕНТНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ.

РЕЗЮМЕ

Тази курсова работа включва 30 страници, 1 раздел, 4 подраздел, 14 точки, 6 маси и 9 цифри. В края на курсовата работа е даден списък на литература, състояща се от 14 точки.

Целта на моето изследване е бенз(а)пирен, неговите свойства, канцерогенни ефекти, както и методите за неговото определяне. Курсовата работа включва такива методи като газова хроматография с мас-спектрално откриване и високо ефективна течна хроматография с флуорисцентно откриване. Също така считат детектори, които са подходящи за аналитично приемане на сигнала от бенз(а)пирен и обосновано употреба на детектор.

Също, в хода на тази работа, ние представяме на методики за определяне на бенз(а)пирен в вода, състоящи се от подготовката на пробите, калибриране на хроматограф, анализ и регистриране на данни. Хартията представя данните, получени по тези методици.

Ключови думи: ПОЛИЦИКЛИЧНИ АРОМАТНИ ВЪГЛЕВОДНИ, БЕНЗ(А)ПИРЕН, ВИСОКО ЭФЕКТИВНА ТЕЧНА ХРОМАТОГРАФИЯ, ГАЗОВА ХРОМАТОГРАФИЯ, ФЛУОРИСЦЕНТНО ОТКРИВАНЕ.

РЕФЕРАТ

Дана курсова робота містить 30 сторінок, 1 розділ, 4 підрозділи, 14 пунктів, 6 таблиць і 9 рисунків. В кінці курсової роботи представлений список літератури, що складається з 14 пунктів.

Об'єктом моїх досліджень є бенз(а)пірен, його властивості, канцерогенна дія, а також методи його визначення. У курсової роботі представлені такі методи як газова хроматографія з мас-спектроскопічним детектуванням і високоефективна рідинна хроматографія з флуорисцентним детектуванням. Крім цього були розглянуті детектори, які підходять для реєстрації аналітичного сигналу бенз(а)пирену і обгрунтована раціональність використання того чи іншого детектора.

Також в курсовій роботі представлені методики визначення бенз(а)пірену в воді, що складаються з підготовки проби, градуювання хроматографа, аналізу та реєстрації даних. У роботі представлені хроматограми, отримані за даними методиками.

Ключові слова: ПОЛІЦИКЛІЧНІ АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ, БЕНЗ(А)ПІРЕН, ВИСОКОЕФЕКТИВНА РІДИННА ХРОМАТОГРАФІЯ, ГАЗОВА ХРОМАТОГРАФІЯ, ФЛУОРИСЦЕНТНЕ ДЕТЕКТУВАННЯ.

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)

1.1.1 Общие сведения

1.1.2 Происхождение ПАУ

1.1.3 Физико-химические свойства ПАУ

1.1.4 Биологическое действие

1.1.5 Бенз(а)пирен. Общие сведения

1.2 Методы определения бензапирена

1.2.1 Газовая хроматография

1.2.2 Жидкостная хроматография

1.3 Определение бензапирена в воде методом ВЭЖХ

1.3.1 Средства измерений, вспомогательное оборудование, реактивы

1.3.2 Подготовка пробы

1.3.3 Градуировка

1.3.4 Проведение ВЭЖХ анализа

1.3.5 Регистрация и обработка данных

1.4 Определение бенз(а)пирена в воде методом ГХ

1.4.1 Отбор и подготовка пробы

1.4.2 Количественное определение БП

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ПАУ - полициклические ароматические углеводороды

БП - бенз(а)пирен

ПДК - предельно допустимая концентрация

ПДК_СС - среднесуточная предельно допустимая концетрация

ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография

ГХ - газовая хроматография

ЖХ - жидкостная хроматография

НФХ - нормально-фазовая хроматография

ОФХ - обращенно-фазовая хроматография

ЖЖЭ - жидкостно-жидкостная экстракция

ОФС - обращенно-фазный сорбент

ТСХ - тонкослойная хроматография

ВВЕДЕНИЕ

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) отнсятся к группе стойких органических загрязнителей. Они обладают ярко выраженными канцерогенными свойствами. Одним из наиболее опасных представителей ПАУ является бенз(а)пирен (БП).

Бенз(а)пирен был открыт в 1933 году, позже, в 1935 году были проведены исследования подтверждающие его канцерогенность. На сегодняшний день бенз(а)пирен относят к канцерогенам 1-го класса опасности. Он обладает мутагенными свойствами. Даже небольшая концентрация БП негативно влияет на организм человека. Концентрация БП в воздухе превышающая предельно допустимую (ПДК) при длительном воздействии может вызвать рак легких. Поэтому остро стоит проблема его обнаружения и определения. Исходя из его физико-химических свойств был разработан ряд однотипных методик по его определению, отличающиеся только стадиями отбора и подготовки пробы. Целью моей работы было ознакомление со свойствами ПАУ и БП, изучение методов разделения ПАУ и методик определения БП.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)

1.1.1 Общие сведения

ПАУ - это высокомолекулярные органические соединения бензольного ряда, насчитывающий более 200 представителей. Они содержат от 2 до 7 бензольных колец. ПАУ широко распространены в природе и стабильны во времени. Они обладают канцерогенной и мутагенной актиностью. Из-за своей токсичности и канцерогенных свойств их относят к приоритетным загрязняющим веществам. Определение ПАУ используется при эколого-геохимических иследованиях. Наиболее токсичны из них 3, 4-бенз(а)пирен и 1, 12-бензперилен, особенно часто определяемые в объектах окружающей среды. [1, с.121]

1.1.2 Происхождение ПАУ

ПАУ - нежелательный побочный продукт сжигания ископаемого топлива. Они образуются в природе за счет абиогенных процессов. Ежегодно в биосферу поступают тысячи тонн ПАУ, выделившихся из гуминовых компонентов почвы. Но большая часть этих канцерогенов поступает за счет техногенных процессов.

Уголь считается смесью огромного количества поликонденсированных ароматических бензольных ядер с минимальным содержанием водорода. При сжигании этих веществ в печах, электростанциях, двигателях внутреннего сгорания эти соединения разлагаются. При низких температурах сгорания и недостаточном поступлении атмосферного кислорода образуется реактивный ацетилен и алифатические углеводороды. Ацетилен полимеризуется в бутадиен, который в дальнейшем образует ядро ароматического углеводорода. При добавлении его к существующим ароматическим ядрам возникают ПАУ.

При неполном сгорании возникают частички углерода - сажа. ПАУ адсорбируются на ее поверхности и попадают в окружающую среду. [1, с.126]

1.1.3 Физико-химические свойства ПАУ

Большинство ПАУ - кристаллические соединения (за исключением некоторых производных нафталина) с высокой температурой плавления. В воде ПАУ плохо растворяются. При переходе к органическим растворителям их растворимость возрастает и зависит от их молекулярной массы. Как правило, с увеличением числа ароматических колец и алкильных радикалов растворимость ПАУ уменьшается.

Большинство ПАУ интенсивно поглощают УФ-излучение (300-420 нм) и быстро фотоокисляются в атмосфере с образованием хинонов и карбонильных соединений. [2, с.17]

1.1.4 Биологическое действие

В организм ПАУ попадают через дыхательные пути, кожные покровы или пищеварительный тракт.

Тип взаемодействия ПАУ с организмом в основном зависит от самого углеводорода. В основном, при попадании в организм ПАУ под действием ферментов образуют эпоксисоединение, реагирующее с гуанином, что препятствует синтезу ДНК, вызывают нарушения или приводит к возникновению мутаций, способствующих развитию раковых заболеваний.

Одним из наиболее токсичных ПАУ, как уже указывалось ранее, является БП. Кроме того канцерогенная активность ПАУ на 70-80 % обусловлена влиянием БП. Поэтому по присутствию БП в пищевых продуктах можно судить о наличии других ПАУ. [1, с.140]

1.1.5 Бенз(а)пирен. Общая характеристика

Бенз(а)пирен (С₂₀Н₁₂) - химическое соединение, представитель семейства полициклических углеводородов (рис.1.1), вещество первого класса опасности. Образуется при сгорании углеводородного жидкого, твёрдого и газообразного топлива (в меньшей степени при сгорании газообразного).

Рисунок 1.1 Структурная формула бенз(а)пирена.

БП представляет собой пластинки или иглы желтого цвета. Он хорошо растворим в неполярных растворителях, к примеру, в толуоле, бензоле, ксилоле. Несколько хуже растворяется в полярных растворителях, в воде же практически нерастворим.

БП накапливается преимущественно в почве, реже в воде. Из почвы он попадает в растения, продолжая свое движение по трофической цепи. На каждом следующем уровне содержание бенз(а)пирена увеличивается на порядок.

БП - типичный химический канцероген и опасен для человека даже в минимальных концентрациях, поскольку обладает свойством накапливаться в организме человека. ПДК бенз(а)пирена в разных объектах представлено в таблице 1.1. Кроме того БП обладает мутагенными свойствами, т.е. он способен вызывать мутации. [3]

Таблица 1.1 ПДК бенз(а)пирена в различных средах

Наименование объекта	ПДК, мкг/кг
Почва	2
Копченые продукты	5
Каши	0, 2
Зерновые	1
Питьевая вода	0, 001
Вода водоемов	5

В воздухе среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК_СС) составляет 0, 1мкг/100м³. [4]

1.2 Методы определения бенз(а)пирена

Низкое содержание БП, многокомпонентность смеси, возможность наличия в смеси изомеров БП, таких как бенз(е)пирен и перилен вынуждает прибегнуть к инструментальным методам определения, т.к. они характеризуются высокой разделяющей способность, селективностью и чувствительностью.

Основными методами определения ПАУ являются обращено-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) с флуориметрическим или спектроскопическим детектированием и газовая хроматография (ГХ) с масс-селективным, пламенно-ионизационным, электронно-захватным или фотоионизационным детектированием.

Для определения БП также используют метод люминесцентной спектроскопии, основанной на эффекте Шпольского. Суть эффекта заключается в том, что при низких температурах некоторые многоатомные молекулы дают квазилинейчатые спектры люминесценции высокого разрешения. Достоинством этого метода является невысокая требовательность к степени очистки и чувствительность. Но сложность аппаратуры является существенным ограничением для определения БП. [5]

Хроматография - это метод разделения, анализа и физико-химических исследований веществ, основанный на перемещении зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов. Разделение происходит за счет разницы в константах распределения индивидуальных веществ между двумя фазами. Наиболее важным признаком хроматографии является динамический характер процесса, при котором возникают градиенты в распределении концентрации молекул или частиц. [6, с.265]

Общая схема разделения компонентов смеси представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 Схема реализации хроматографического процесса

К достоинствам хроматографических методов можно отнести возможность одновременной реализации большого числа параметров, характеризующих разделение, идентификацию, количественную оценку компонентов в смеси. Таким образом, хроматография является многоканальным источником информации.

В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы хроматографические методы разделяют на газовую и жидкостную хроматографию.

Газовая хроматография в свою очередь, в зависимости от агрегатного состояния неподвижной (стационарной), включает в себя газожидкостную и газотвердофазную хроматографию.

Жидкостная хроматография разделяется на жидкостно-жидкостную, жидкостно-твердофазную и жидкостно-гелевую. [6, с.267]

1.2.1 Газовая хроматография

ГХ - разновидность хроматографии, в которой подвижная фаза находится в состоянии газа или пара - инертный газ. Он является газом-носителем. Неподвижной фазой является высокомолекулярная жидкость, которая закреплена на пористом носителе или на стенки длинной капиллярной трубки.

ГХ - универсальный метод разделения смесей веществ, которые испаряются без разложения. Компоненты смеси перемещаются по хроматографической колонке газом-носителем. При этом смесь многократно распределяется между газом-носителем и неподвижной фазой. Разделение происходит за счет различной растворимости компонентов смеси в твердой фазе. На выходе веществ из колонки их регистрируют с помощью детектора.

Детектор - это прибор непрерывного действия, который регистрирует аналитический сигнал. Для ГХ предложено около 60 типов детектирующих систем. В таблице 1.2 представлены типы детекторов, которые чаще всего используются в ГХ.

Таблица 1.2 Детекторы газовой хроматографии

Наименование детектора	Принцип работы
По теплопроводности	Регистрируется различие в теплопроводности анализируемого вещества и газа-носителя
Наименование детектора	Принцип работы
Электронно-захватный	Захват анализируемым веществом тепловых электронов, образованных при облучении в-частицами или высокоэнергетическими электронами газа-носителя
Ультрафиолетовый	Поглощение УФ-света специфическим хромофором анализируемого вещества
Микроволновой плазменный	Возбуждение анализируемого вещества в микроволновой плазме и излучение света на длине характеристической волны присутствующего в веществе элемента
Пламенно-фотометрический	Возбуждение анализируемого вещества в пламени и излучение света в зависимости от типа присутствующего в веществе элемента
Атомно-абсорбционный спектрометр	Тепловая атомизация с последующим поглощением света на специфической длине волны
Электрохимический	Поглощение анализируемых веществ потоком жидкости и электрохимическое детектирование их в потоке
ИК-спектрометр	Поглощение света в ИК-области анализируемым веществом
Пламенно-ионизационный	Образование и регистрация ионов в пламени при сгорании анализируемых веществ
Масс-спектрометр	Образование молекулярных и фрагментарных ионов при электронном ударе или химической ионизации
Фотоионизационный	Фотохимическое образование и регистрация ионов под действием жесткого УФ-излучения на анализируемое вещество

Пламенно-ионизационный детектор чувствительный, но неселективный к БП. Поэтому его используют только для анализа несложных смесей.

Электронно-захватный детектор и чувствительный, и селективный к БП, но его применение затрудняется из-за высокого отклика к электрофиьным соединениям.

Перспективным для определения БП является применение фотоионизационного, но он не нашел широкого распространения из-за нестабильности работы и дороговизны оборудования. [5]

ГХ с масс-спектрометрическим детектированием представляет собой лучшее решение для определения бензапирена в сложных смесях

Принцип действия масс-спектрометра заключается в распределении фрагментов или ионов по массам. Для превращения нейтральных молекул в ионы используется процесс ионизации. Для ионизации органических соединений чаще всего используют электронный удар. Кроме этого используют химическую ионизацию, в основе которой лежит протекание ионно-молекулярных реакций. Для исследования биологических молекул, полимеров и других веществ, которые невозможно перевести в газовую фазу без разложения используются особые виды ионизации. [7, с.91]

ГХ с масс-спектроскопическим детектированием - единственный метод, который позволяет использовать внутренние стандарты для количественных определений. В качесте стандартных веществ применяют меченые ²Н и ¹³С изомерные смеси ПАУ. Сдвиг по массе и тот факт, что вещесва-стандарты имеют практически одинаковые характеристики с немечеными ПАУ облегчает идентификацию.

Одним из небольших недостатков масс-спектрометров является небольшой диапазон линейности отклика детектора. Поэтому обычный масс-спектрометр заменяют время-пролётным. Его особенностью является то, что за короткое время можно получить полный масс-спектр соединений и точное измерение масс до 0, 0001 а.е.м.

Сочетание время-пролётного масс-спектрометра с газовой хроматографией обеспечивает хорошее разделение компонентов сложных смесей и низкие пределы обнаружения. [8, с.347]

1.2.2 Жидкостная хроматография

Жидкостная хроматография (ЖХ) - метод разделения и анализа сложных веществ, подвижной фазой в котором служит жидкость. Подвижная фаза с одной стороны выполняет транспортную функцию, т.е. переносит несорбируемое вещество, а с другой стороны регулирует константы равновесия, а, следовательно, и удерживание в результате взаимодействия с неподвижной фазой и с молекулами разделяемых веществ. [6]

В ЖХ раделение проходит чаще всего при комнатной температуре. В колонку вводят анализируемную пробу и пропускают элюент. В ЖХ существенное значение имеет природа подвижной фазы. Благодаря этому различные комбинации даже небольшого числа неподвижной фазы и большого числа подвижной позволяет решить разнообразные аналитические задачи.

Анализ в классической жидкостной хроматографии проводиться длительное время, так как скорость подачи пробы мала. Этот метод подходит для предварительного разделения компонентов смеси. В большинстве случаев применяют ВЭЖХ. Быстрый массоперенос при высокой эффективности разделения позволяет определять с помощью ВЭЖХ молекулы, макромолекулы и ионы. Различия классической ЖХ и ВЭЖХ приведена в таблице 1.3. [9]

Таблица 1.3 Экспериментальные различия между классической и высокоэффективной ЖХ

Характеристика	Классическая ЖХ	Высокоэффективная ЖХ
Давление, атм	От долей атм. до 2 атм.	>2 атм.
Скорость потока, мм/мин	5 - 50	600
Продолжитеьность разделения	От нескольких часов до нескольких суток	От нескольких минут до нескольких часов
Оборудование	Колонка и вспомогательное оборудование	Хроматограф
Тип разделения	Препаративное разделение	Аналитическое разделение
Детектирование	Детектирование отдельных фракций аналитическими методами	С помощью детектора
Количество исследуемого вещества	От нескольких мкг до нескольких кг	От нескольких нг до нескольких мкг

ВЭЖХ - это метод колоночной хроматографии, в котором подвижной фазой служит жидкость, движущаяся через хроматографическую колонку, заполненную неподвижной фазой (сорбентом). Колонки для ВЭЖХ характеризуются высоким гидравлическим сопротивлением на входе.

В зависимости от механизма разделения веществ различают следующие варианты ВЭЖХ:

а) распределительную;

б) ионообменную;

в) эксклюзионную;

г) хиральную;

д) адсорбционную.

Метод распределительной хроматографии основан на распределении вещества между двумя несмешивающимися жидкостями, подобно многократно повторяющейся экстракции. При пропускании жидкой подвижной фазы разделение происходит за счет различной растворимости компонентов смеси в жидкой неподвижной фазе.

В ионообменной хроматографии молекулы веществ смеси, диссоциированные в растворе на катионы и анионы, разделяются при движении через сорбент за счет различной силы взаимодействия определяемых ионов с ионными группами сорбента

В эксклюзионной хроматографии молекулы веществ разделяются по размеру за счет их разной способности проникать в поры неподвижной фазы. При этом первыми из колонки выходят наиболее крупные молекулы, способные проникать в минимальное число пор неподвижной фазы, а последними выходят вещества с малыми размерами молекул.

В хиральной хроматографии происходит разделение оптически активных соединений на отдельные энантиомеры (зеркальные изомеры).

В адсорбционной хроматографии вещества разделяются за счет их различной способности адсорбироваться и десорбироваться с поверхности сорбента с развитой поверхностью.

В зависимости от полярности подвижной и неподвижной фаз адсорбционную хроматографию делят на нормально-фазовую (НФХ) и обращено-фазовую (ОФХ) хроматографию.

В НФХ используется полярный адсорбент и неполярная подвижная фаза, а в ОФХ - неполярный адсорбент и полярная подвижная фаза.

Хотя жидкостная хроматография - это метод разделения пробы на компоненты, современный жидкостный хроматограф включает в себя не только систему разделения, но и систему количественного измерения содержания каждого компонент, т.е. систему детектирования. Схема хроматографа представлена на рисунке 1.3. [6]

бензапирен жидкостный хроматографияуглеводород



Рисунок 1.3 Схема жидкостного хроматографа

1 - насос для подачи подвижной фазы через колонку

2 - дозатор для введения пробы в колонку

3 - разделительная колонка

4 - детектор - устройство для получения аналитического сигнала

5 - система обработки - преобразователь аналитического сигнала в форму удобную для восприятия человеком

Для регистрации аналитического сигнала, как указывалось ранее, используют детекторы. В ЖХ используют различные способы детектирования. Некоторые из них рассмотрены в таблице 1.4. [10]

Таблица 1.4 Детекторы в жидкостной хроматографии

Наименование детектора	Принцип работы
Спектрофотометрический	В процессе элюирования измеряется оптическая плотность элюата при определенной длине волны
Флуориметрический	Измеряется флуоресцентное излучение поглощенного
Наименование детектора	Принцип работы
	света
Рефрактометрический	Определение концентрации вещества в зависимости от показателя преломления, отличного от показателя преломления подвижной фазы
Испарительный детектор лазерного светового излучения	Принцип работы основан на различии давлений паров хроматографических растворителей, входящих в состав подвижной фазы, и анализируемых веществ

В ВЭЖХ для определения БП используют флуориметрический детектор, который селективен по отношению к бензапирену и обладает высокой чувствительностью. Принцип действия такого детектора основан на измерении флуоресцентного излучения поглощенного света. Измерения в основном проводят в УФ-области при длине волны максимального поглощения для данной группы веществ. Длина волны флуоресцентного излучения всегда больше длины волны поглощенного света. В связи с тем, что детектирование ведется от нулевой интенсивности, флуориметрические детекторы более чувствительны по сравнению с детекторами поглощения.

Сочетание ВЭЖХ с масс-спектроскопическим детектором не нашло применения при определении бензапирена. Это связано с тем, что предъявляются высокие требования к чистоте экстрактов, т.е. увеличивается длительность анализа из-за трудоемкой подготовки пробы. Кроме этого оборудование довольно дорогое и недостаточно селективное и чувствительное. [5]

1.3 Определение бенз(а)пирена в воде методом ВЭЖХ

1.3.1 Средства измерений, вспомогательное оборудование, реактивы

Для измерений используют хроматограф для ВЭЖХ Agilent 1200 (рис.1.4) с флуориметрическим детектором, который обеспечивает интервал длин волн возбуждения в диапазоне 270-365 нм и регистрации флуоресценции в диапазоне 390-460 нм.

Рисунок 1.4 ВЭЖХ-хроматограф Agilent 1200

Хроматографическую колонку заполняют сорбентом для ОФХ. В условия выполнения эксперимента эффективность колонки должна быть не менее 5000 теоретических тарелок.

Для подготовки пробы используют делительную воронку вместимостью 2000 см³, роторный испаритель, водяную баню, водоструйный насос, н-гексан, хлорид и сульфат натрия, а также ацетонитрил.

Для приготовления градуировочных растворов используют колбы вместительностью 25 и 50 см³ и градуированные пипетки вместимостью 1, 2, 5 см³, раствор бенз(а)пирена с концентрацией с = 1, 0 мкг/см³ и ацетонитрил.

1.3.2 Подготовка пробы

Для извлечения бенз(а)пирена из воды используют жидкостно-жидкостную экстракцию (ЖЖЭ). Экстрагируют бенз(а)пирен с помощью н-гексана. Для этого в делительную воронку вместимостью 2000 см³ вносят отобранную воду объемом 1000 см³ и добавляют 25-30 см³ н-гексана и 20 см³ хлорида натрия (NaCl) c концентрацией с=0, 25 г/см³ и проводят экстракцию, встряхивая смесь в течение 10-15 минут. После отделяют водный слой и проводят экстракцию еще дважды без добавления NaCl. После экстракты объединяют и высушивают, пропуская через осушитель, который представляет собой воронку со слоем сульфата натрия высотой не менее 2 см. В качестве экстрагирующего вещества допускается использование дихлорметана того же объема, что и н-гексан.

После экстракции экстракт упаривают до объема 3 - 5 см³ на роторном испарителе - устройстве для быстрого удаления жидкостей отгонкой при пониженном давлении. Остаток переносят в пробирку вместительностью 10 - 15 см³ и добавляют н-гексан, после чего раствор упаривают досуха в вакууме водоструйного насоса, поместив пробирку на водяную баню при температуре 40 - 50 ^оС. Остаток растворяют в 0, 2 - 0, 5 см³ ацетонитрила. Полученный концентрат выдерживают не менее 15 минут.

1.3.3 Градуировка

Градуировку проводят по 5 стандартным растворам с концентрацией 0, 002; 0, 01; 0, 02; 0, 05 и 0, 1 мкг/см³. Приготовление градуировочных растворов описано в таблице 1.5.

Таблица 1.5 Приготовление градуировочных растворов

№	с, мкг/см3	с0, мкг/см3	Vал, см3	Vк, см3
1	0, 002	1, 0	2, 5	25
2	0, 01	1, 0	2, 5	50
3	0, 02	1, 0	1, 0	50
4	0, 05	0, 1	2, 5	25
5	0, 1	0, 1	0, 5	25

До метки растворы доводят ацетонитрилом.

Для каждого из растворов регистрируют не менее двух хроматограмм. На рисунке 1.5 приведена хроматограмма бенз(а)пирена с концентрацией 0, 002 мкг/см³.

Рисунок 1.5 Хроматограмма бенз(а)пирена с концентрацией 0, 002 мкг/см³

Расхождение между полученными площадями должно составлять не более 7% их среднеарифметического значения.

По полученным данным строят градуировочный график (рис 1.6) в виде зависимости площади пика от массовой концентрации. Градуировочный график должен быть линейным. Для каждого раствора отклонение измеренной по градуировочной характеристике массовой концентрации от заданного значения не должно превышать 12%. Если отклонение превышает указанное значение, то градуировку повторяют. Градуировку проводят не только перед измерениями, но и после замены колонки или при проведении ремонтно-профилактических работ хроматографа. [11]

Рисунок 1.6 Градуировочная зависимость площади пика от концентрации бенз(а)пирена (r² = 0.998)

1.3.4 Проведение ВЭЖХ анализа

Хроматографическое определение бензапирена проводят в ВЭЖХ-колонке Agilent 1200, эффективность колонки должна быть не менее, чем 5000 теоретических тарелок по пику бензапирена. Внутренний диаметр колонки составляет 2 мм. Колонка заполнена обращенно-фазным сорбентом (ОФС). В данном определении было использовали предколонку, выполняющую защитную функцию. Внутренний диаметр предколонки составляет 2 мм, её заполняют тем же ОФС. [12]

В качестве ОФС используют сорбенты с привитыми фазами, полученными на основе силикагеля. В данном определении в качестве сорбентов были использованы октадецилсиликагель (С₁₈) с размером частиц 5 мкм и гидрофобный микропористый сверхсшитый полистирол с диаметром частиц 3, 2 мкм и средним диаметром пор 20-40 Е. Данный сорбент химически устойчив при рН = 2-7. Эффективность разделения обеспечивается высокой площадью поверхности частиц сорбента, а также равномерностью состава сорбента и плотной равномерной упаковкой. Коэффициент емкости (k) такого сорбента составляет 9, 86. [13]

Подвижной фазой является смесь ацетонитрил - вода. Готовят элюент в объемном соотношении 8:2. В стеклянную посуду вместимостью 1000 см³ вносят 200 см³ воды и доводят до метки ацетонитрилом. Непосредственно перед использованием элюент выдерживают для дегазации не менее 4 часов. Для более быстрой дегазации проводят вакуумирование емкости с элюентом, подключая её к водоструйному насосу, поместив на ультразвуковую баню. [11] Элюент подают петлевым краном-дозатором (инжектором) с объемом петли 10 мм³, объемная скорость подачи подвижной фазы 200 мм³/мин.

При данных условиях хроматографирование занимает 20 - 30 мин.

1.3.5 Регистрация и обработка результатов

Бензапирен детектируют с помощью флуоресцентного детектора. Рекомендуется регистрировать хроматограмму при длине волны возбуждения л_возб = 365 нм и длине волны регистрации л_{регистр.} = 400 - 460 нм.

Для увеличения чувствительности в данной методике программируемо изменялись длины волн возбуждения и эмиссии по флуоресценции. Режим программирования приведен в таблице 1. 6. [13]

Таблица 1.6 Режим программирования при использовании флуоресцентного детектора

Время, мин	лвозб., нм	лрегистр, нм
0.0	260	350
6.3	270	460
10.5	255	410
17.0	290	410
21.7	290	500

Хроматограмма, полученная при анализе воды приведена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 Хроматограмма содержания БП в воде

Пик бензапирена определяют по времени удерживания, т.к это является качественной характеристикой бенз(а)пирена. Для количественного определения содержания бенз(а)пирена рассчитывают площадь пика. Затем по градуировочному графику находят его концентрацию.

Если концентрация бенз(а)пирена превышает максимальную концентрацию стандартного раствора, то анализируемый раствор разбавляют и проводят анализ пробы повторно. [11]

Чувствительность определения бензапирена по данной методике составляет 0, 01 мкг/дм³. [13]

1.4 Определение бенз(а)пирена в воде методом ГХ

1.4.1 Отбор и подготовка пробы

Важной частью анализа является отбор и подготовка пробы. Воду отбирают несколько раз с интервалом в несколько дней. После воду фильтруют и отбирают пробу объемом 0, 5 л. К пробе добавляют хлорид натрия и хранят в холодильнике не больше суток.

Для получения достоверных данных БП извлекают из пробы методом ЖЖЭ. Экстрагентом служит диэтиловый эфир. Экстракцию проводят трижды. Первые два раза вещество экстрагируют в объеме экстрагента 50 мл. На третий раз объем экстрагента составляет 30 мл. Все экстракты объединяют и упаривают в роторном испарителе до полного удаления эфира. Полученный образец растворяют в бензоле объемом 2 мл.

Перед количественным определением БП компоненты смеси разделяют методом тонкослойной хроматографии (ТСХ).

ТСХ - хроматографический метод, основанный на использовании тонкого слоя адсорбента в качестве неподвижной фазы. [6]

Перед проведением разделения пластинку погружают в 4-% раствор кофеина в хлороформе и активируют в сушильном шкафу при температуре 100^оС. Для удаления примесей с пластинки, после ее охлаждения, ее промывают хлороформом и опять активируют в сушильном шкафу в течении 30 минут при температуре 100^оС.

Пробы, растворенные в бензоле, наносят на пластинку и осуществляют хроматографирование. Элюирующим веществом является смесь циклогексан - н-гексан, в объемном соотношении 16:1.

1.4.2 Количественное определение

Количественный анализ по данной методике проводят методом газо-жидкостной хроматографии с пламенно-ионизационным детектором. Для анализа был использован хроматограф «Цвет - 500» (рис. 1.8) с пламенно-ионизационным детектором.



Рисунок 1.8 Газовый хроматограф «Цвет - 500»

Газом-носителем для данного определения служил азот. Азот подавался с объемной скоростью 3 мл/мин. Для анализа использовали капиллярную кварцевую колонку с размером 25 м Ч0.32 мм. В качестве неподвижной фазы применяли метилсиликоновое масло OV-101 с толщиной пленки 0, 4 мкм. Анализ проводился в режиме программирования температуры от 210 до 300^оС со скоростью 4^оС/мин. Пробу объемом 1 мкл вводили с помощью микрошприца.

На рисунке 1.9 представлена хроматограмма БП полученная по данной методике.

Рисунок 1.9 Хроматограмма БП, полученная методом ГХ (3 -БП)

Качественно БП определяли по времени удерживания, сравнивая с временем удерживания стандартного образца, которое составило 28 минут.

Количественно БП определяют методом внешнего стандарта. Для этого строят градуировочный график по нескольким стандартным образцам с диапазоном концентраций 1-20 нг/мл. В качестве аналитического сигнала использовали высоту пика. [14]

ВЫВОДЫ

Бенз(а)пирен - канцероген 1-го класса опасности, относящийся к ПАУ. Он может находиться в почве, в воде, в воздухе, в продуктах питания, и, попадая в организм, он аккумулируется. Поэтому его определение в различных объектах является приоритетным.

ПДК БП довольно низкая, поэтому для его определения прибегают к чувствительным методам. Трудность его определения также состоит в том, что в пробе кроме БП могут содержаться его изомеры, такие как бенз(е)пирен и перилен, у которых время удерживания почти как у БП. Т.е присутствие изомеров затрудняет идентификацию вещества. Эту проблему решают, предварительно разделяя смесь методом ТСХ, а также, используя стандартные образцы БП.

В данной курсовой работе было рассмотрено несколько хроматографических методов, которые подходят для определения бенз(а)пирена. После предварительной работы с литературой, был обоснован выбор методов для его количественного определения. На основе метода были выбраны методики и приведены хроматограммы, полученные по данным методикам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Травень В. Ф. Органическая химия. Учебное пособие для вузов: в 3 т. / В. Ф. Травень -- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. --. -- Т. 2. -- 2013. -- 517 с.

2. Гречищева Н. Ю. Взаимодействие гумусовых кислот с полиядерными ароматическими углеводородами: химические и токсикологические аспекты: дис… на соискание ученой степени доктора хим. наук: 02.00.13 / Н. Ю. Гречищева. -- М., 2000. -- 157 с.

3. Пат. 2466406 Российская Федерация. Способы количественного определения бенз(а)пирена в моче методом жидкостной хроматографии / Зайцева Н. В., Уланова Т. С., Корнажицкая Т. Д., Кислицина А. В., Пшеничникова Е. О., Пермякова Т. С. -- № 2011142553/15; заявл. 20.10.11; опубл. 10.11.12, Бюл. №31.

4. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ: ГН 2.1.7.2041-06. -- [Введен 2006-02-07]. -- М.: Стандартинформ, 2006. -- 7 с.

5. Цимбалюк К. К. Определение полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в объектах окружающей среды (Обзор) / К. К Цимбалюк, Ю. М. Деньга, В. П. Антонович // Методы и объекты химического анализа. -- 2013. -- Т. 8, № 2. -- С. 50 - 62.

6. Золотов Ю. А. Основы аналитической химии. Общие вопросы. Методы разделения: в 2 кн. / Ю. А. Золотов, Е. Н. Дорохова, В. И. Фадеева и др. Под ред. Ю. А. Золотова. -- М.: Высш. Шк., 2002. --. -- Кн. 1. -- 2002. -- 351 с.

7. Царев Н. И. Практическая газовая хроматография. Учебно-методическое пособие для студентов химического факультета по спецкурсу «Газохроматографические методы анализа» / Н. И. Царев, В. И. Царев, И. Б Катраков. -- Барнаул.: Издательство Алтайского государственного университета, 2000. -- 156 с.

8. Другов Ю. С. Газохроматографический анализ загрязненного воздуха / Ю. С. Другов, А. А. Родин. -- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. -- 531 с.

9. Стыскин Е. Л. Практическая высокоэффективная жидкостная хроматография / Е. Л. Стыскин, Л. Б. Ициксон, Е. В. Брауде. --М.: Химия, 1986. -- 210 с

10. Дмитриков В. П. Анализ полициклических ароматических углеводородов методом высокоэффективной жидкостной хроматографии / В. П. Дмитриков, О. Г. Ларионов, В. М. Набивач //Успехи химии. -- 1986. -- Т. 2, № 4. -- С. 679 -700.

11. Вода питьевая. Метод определения содержания бенз(а)пирена: ГОСТ 31860 - 2012. -- [Введен 2014-01-01]. -- М.: Стандартинформ, 2014. -- 11 с. -- (Межгосударственный стандарт).

12. Борщ Н. А. Определение бензапирена методом высокоэффективной жидкостной хроматографии / Н. А. Борщ, С. В. Сидоренко // Современные тенденции развития науки и технологий. -- 2016. -- Т. 1, № 2. -- С.37 - 41.

13. Проскурина Н. А. Определение полиядерных ароматических углеводородов в жиросодержащих продуктах питания с использованием твердофазной экстракции/ Н. А. Проскурина, В. А. Даванков, М. М. Ильин //Сорбционные и хроматографические процессы. -- 2009. -- Т. 9, № 2. -- С. 167 - 176.

14. Назаркина С. Г. Капиллярная газовая хроматография в экологическом контроле талых вод / С. Г. Назаркина, П. П. Пурыгин, А. В. Буланова, О. Г. Ларионов // Вестник СамГУ. -- 2000. -- Т. 2, . -- С. 152 -156.

Размещено на Allbest.ru

...