Методы определения диоксинов

Обзор методов  определения диоксинов

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. Например, еще 20 лет назад доза диоксина I, летальная для морской свинки, была ниже предела обнаружения аппаратуры, применявшейся для ее определения [1]. Ориентирование на высокую токсичность 2,3,7,8-ТХДД (I) потребовало разработки и внедрения в аналитическую практику изомер-избирательных методов, обеспечивающих детектирование пикограммовых (10-12 г) и даже фемтограммовых (10-15 г) количеств.

В настоящее время  лишь ограниченное число аналитических  лабораторий развитых стран способны проводить анализы на диоксины рядов  ПХДД и ПХДФ любой степени сложности, в частности осуществлять их количественное определение в образцах различных типов.

При всем разнообразии методов  определения диоксинов ПХДД и  ПХДФ они включают ряд обязательных этапов - отбор и подготовку пробы, выделение искомых веществ из любой пробы, их очистку и концентрирование и, наконец, собственно качественное и количественное определение.

Анализ образца может  включать несколько подходов. Один из них - это определение в очищенном  экстракте отдельных групп диоксиновых  веществ ПХДД и ПХДФ, например, всех 17 соединений, содержащих фрагмент 2,3,7,8-Cl 4 , всех изомеров ТХДД или ТХДФ, всех изомеров ПнХДД, ГкХДД и т.д. Другой подход - это раздельное определение каждого компонента смеси, в первую очередь наиболее токсичных. Это достигается последовательным использованием методов хроматографии и количественной масс-спектрометрии, в том числе высокого разрешения. Иногда их прямо комбинируют, например, путем подсоединения колонки хроматографа непосредcтвенно к ионному источнику масс-спектрометра [2].

К настоящему времени  благодаря широкому международному сотрудничеству создано много методик определения следовых количеств ПХДД и ПХДФ, в том числе и наиболее токсичных (для семейств V и VI их пока меньше [3]). Они предполагают применение высокоэффективной очистки диоксинов от многочисленных фоновых веществ и включают экстракционное извлечение, хроматографическое разделение и масс-спектрометрическое определение. Этот прогресс обеспечен как улучшением аналитических возможностей инструментальной техники, так и развитием и стандартизацией методов пробоотбора и пробоподготовки.

Выбор конкретных методик  зависит от задач, стоящих перед  исследователем - нужно ли идентифицировать источники выброса диоксинов  или же необходимо оценить конкретную ситуацию.

Сформировалось два  подхода к определению диоксинов [4]:

1. одновременное определение всех гомологов и изомеров в одной фракции путем обогащения по измеряемым компонентам (отделение от матрицы);

2. определение отдельных  изомеров, в особенности наиболее  токсичных 2,3,7,8-ТХДД и 2,3,7,8-ТХДФ. Оба подхода находят применение  для общего ориентирования в экологической обстановке, хотя первый более пригоден для программ мониторинга. Если же поставленная цель - оценка диоксиновой опасности объектов и регионов, то аналитические приемы должны быть токсикологически ориентированными (т.е. нацеленными на определение 17 наиболее токсичных изомеров ПХДД и ПХДФ из 210) и экспрессными (тут могут оказаться эффективными биологические методы определения [5-6]).

Знание физико-химических, структурных и токсикологических  особенностей диоксинов, в первую очередь ПХДД и ПХДФ, позволило сформулировать требования, которым должна удовлетворять любая методика их определения в объектах окружающей среды и в биологических образцах [7]. Она должна обеспечивать:

1) высокую чувствительность, что обусловлено исключительной токсичностью 2,3,7,8-ТХДД (I) и ряда других соединений;

2) высокую селективность, для чего необходимо отделение определяемых диоксинов от сопутствующих веществ, концентрация которых в матрице может быть выше на несколько порядков;

3) высокую избирательность, обеспечивающую дифференциацию искомых веществ в пределах узких смесей изомеров, в частности отдельное определение наиболее токсичного диокcина I в присутствии остальных 21 ТХДД;

4) высокую воспроизводимость  результатов при количественном определении.

Первое, второе и четвертое  требования вполне удовлетворительно  обеспечиваются с помощью масс-спектрометрии  высокого разрешения. Дифференциация отдельных изомеров в смесях достигается  с помощью газовой хроматографии  высокого разрешения. Работа по анализу диоксинов сопряжена с большими трудностями - методическими и техническими. Даже в рамках уже устоявшейся системы, т.е., по существу, на потоке, эти анализы чрезвычайно дороги, трудоемки и продолжительны (как правило, они занимают много дней). Для получения надежных результатов необходимо, чтобы поддерживалась высокая чистота лабораторных помещений, по крайней мере на уровне, требуемом при проведении работ по генной инженерии.

Наиболее трудный этап работы - отбор и подготовка проб, вследствие чего подавляющее число диоксиновых анализов проводится в настоящее время в лабораторных условиях.

В частности, создаются  компьютеризованные системы количественной оценки результатов хромато-масс-спектрометрического  определения диоксинов.

1. Газохроматографическое разделение

Первоначально при определении  ПХДД и ПХДФ использовалась хроматография  низкого разрешения на набивных колонках с последующей масс-спектрометрией. Она требовала многоступенчатой очистки экстрактов, сопровождающейся большими трудозатратами. В настоящее время для разделения отдельных изомеров в смесях диоксинов, содержащихся в очищенных экстрактах, применяется хроматография высокого разрешения. Применение кварцевых и стеклянных капиллярных колонок с привитыми фазами позволило заметно снизить требования к очистке экстрактов, хотя в целом очистка должна быть адекватной решаемым задачам [8].

Создание изомер-избирательных  методов идентификации и количественного  определения отдельных изомеров в смесях ПХДД и ПХДФ явилось принципиальным шагом в их определении [9]. Эффективны они и при определении ПХБ. Дело в том, что масс-спектрометрический метод не обеспечивает определения отдельных изомеров (спектры большинства изомеров в каждой из смесей изомерных серий соединений, как ПХДД, так и ПХДФ, оказываются аналогичными). Между тем необходимость в определении отдельных изомеров диктуется принципиальными различиями в токсичности отдельных диоксинов, входящих в состав больших серий изомеров.

Разделение изомеров диоксинов  ПХДД и ПХДФ проводится с помощью  программирования температуры на капиллярных колонках, изготовленных из плавленного кварца или стекла, длиной до 60 м (внутренний диаметр порядка 0,25 мм). В качестве неподвижной фазы применяют самые различные материалы: сильнополярную (3-цианопропил) полисилоксановую фазу - Silar 10C, SP-2330 ("Supelco, Inc.", PA, USA), SP-2331, SP-2340, CP Sil 88 ("Chrompack", Middelburg, The Netherlands), низкополярную фазу DB-5 ("J&W Scientific", CA, USA), DB-17 или DB-225 и ряд других фаз - SE-54, SILOV , OV-17 ("Quadrex", New Haven, CT, USA), OV-101. Сообщается об успешном использовании некоторых новых капиллярных колонок.

Колонки с SP-2330 широко используют для  определения диоксинов в экстрактах газовых выбросов, летучей золы, почвы и донных отложений. Колонки  с SP-2331 обычно применяют при определении в атмосферном воздухе, летучей золе, почве, технических и пищевых продуктах. Колонки с низкополярной фазой DB-5 показали свою эффективность при анализе воздуха и газовых выбросов, вод и очищенных стоков, пищевых продуктов и биопроб. Удачен опыт применения и колонок с другими фазами - SE-30 (летучая зола), SE-54 (очищенные стоки, древесина), HP-17 (атмосферный воздух), OV-17 (донные отложения), OV-240-OH (биопробы) и т.д.

Таким образом сочетание газовой  хроматографии высокого разрешения с масс-спектрометрическим окончанием для количественного определения уже разделенных изомеров обеспечивает возможность определения отдельных, например, наиболее токсичных изомеров.

Универсальных фаз пока не создано  и вряд ли они могут существовать. Поэтому применяемая техника должна быть адекватна задаче. В частности, для отделения наиболее токсичного диоксина 2,3,7,8-ТХДД от остальных 21 изомеров ТХДД применима ГЖХ высокого разрешения с различными капиллярными колонками - Silar 10С, SP-2330 и др. Описана методика идентификации отдельных изомеров и гомологов диоксинов ПХДД (в каждой из серий с x+y от 4 до 8) с помощью колонок Silar 10С и SP-2330, а также на активированном оксиде алюминия.

Отделение высокотоксичного дибензофурана 2,3,7,8-ТХДФ от остальных 37 изомеров серии ТХДФ достигнуто с использованием нескольких методик [10]. В их числе последовательное соединение двух колонок DB-5 и DB-225, капиллярная ГХ со смектической жидкокристаллической фазой и т.д. Описан способ идентификации каждого из 38 изомеров ТХДФ в их смеси, достигаемой с использованием капиллярных колонок SP-2330 и SE-54 или одновременно двух колонок SP-2331 и DB-17. Сообщается о разделении с помощью колонки SP-2330 большинства изомеров в смесях ТХДФ, ПнХДФ и ГкХДФ. Это важно, в частности, когда необходимо разделить такие пары изомеров, как высокотоксичный 1,2,3,7,8-Cl5-ДФ и менее токсичный 1,2,3,4,7,9-Cl6-ДФ, которые обычно элюируются без разделения. Такое разделение достигается на колонках OV-17 и DB-5.

Важным шагом в повышении информативности определений и в автоматизации хроматографического разделения сложных диоксиновых смесей явилась практика двухступенчатой и двумерной жидкостной хроматографии.

При последовательном соединении капиллярных  колонок с низкополярной фазой  DB-5 и с более полярной фазой CP Sil 88 длиной 50-60 м каждая первая колонка обеспечивает четкое разделение анализируемой смеси на гомологические группы, содержащие каждая диоксины с равным числом атомов хлора - ТХДД, ПнХДД, ГкХДД и т.д.[11]. В свою очередь на второй колонке происходит полное разделение изомеров внутри каждой группы. В результате использования этой техники удается вводить в ГХ большие объемы очищенных экстрактов, что в свою очередь позволяет заметно снизить предел обнаружения.

Применение двумерной высокоэффективной жидкостной хроматографии позволяет осуществлять токсикологически ориентированный анализ объектов - проводить препаративное выделение из общей смеси ПХДД и ПХДФ только 2,3,7,8-Cl4-содержащих гомологов и изомеров (7 в ряду ПХДД и 10 в ряду ПХДФ) с последующим определением каждого в рамках стандартной процедуры [12].

В результате удается сравнительно просто получать данные о токсических  характеристиках различных образцов, важные для целей мониторинга.

ДОСТОИНСТВА И  ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Метод газовой хроматографии является одним из самых современных методов  анализа. Его отличительные черты -- экспрессность, высокая точность, чувствительность, возможность автоматизации. С помощью этого метода могут  быть решены многие аналитические проблемы выбором хроматографической системы и рабочих условий. Широкий набор стационарных жидких фаз и адсорбентов, с одной стороны, программирование температуры, высокое давление, специфические методы детектирования, с другой стороны, позволяют разделять и количественно определять соединения с едва заметной разницей в давлении пара. Степень универсальности и гибкости метода газовой хроматографии во многом определяется существующим техническим уровнем аппаратуры. Если в качественной газовой хроматографии надежная идентификация компонентов смеси может быть чаще всего обеспечена лишь сочетанием с другими независимыми аналитическими методами, то количественный газохроматографический анализ может рассматриваться как самостоятельный аналитический метод, дающий результаты, не вызывающие сомнений.

Газовая хроматография используется также в препаративных целях  для очистки химических препаратов, выделения индивидуальных веществ  из смесей. Метод особенно эффективен при разделении веществ, относящихся  к одному и тому же классу -- углеводородам, органическим кислотам, спиртам и т. д.

Метод широко применяется в физико-химических исследованиях: для определения  физико-химических свойств адсорбентов, для определения термодинамических  характеристик адсорбции, теплоты адсорбции, 'поверхности твердого тела и термодинамических свойств растворов -- констант равновесия, изотерм распределения, коэффициентов активности и др.

Следует отметить, что  метод непрерывно развивается и  совершенствуется. Расширяются и  границы применимости метода в различных областях науки и техники. В химии и нефтехимии это анализ нефти и продуктов ее переработки: анализ смесей газообразных углеводородов; анализ бензина, воска и продуктов их окисления; изучение серо- и азотсодержащих продуктов крекинга; анализ растворителей -- спиртов, кетонов, смесей углеводородов; изучение состава природных продуктов. В сельском хозяйстве это анализ гербицидов, пестицидов, удобрений.

Развитие метода идет по пути синтеза новых хелатов  металлов, достаточно летучих и устойчивых в условиях хроматографирования, а также в направлении поиска вое более чувствительных и селективных детектирующих систем для комплексных соединений металлов с органическими лигандами.