Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩИХ И ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В КОМПОНЕНТАХ ЭКОСИСТЕМЫ

Изобретение относится к области экологической аналитической химии и может быть использовано для совместного извлечения и дальнейшего определения общих углеводородов (ОУВ) и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в абиотических компонентах (песок, ил, донные осадки) и биологическом материале.

Известен способ определения полиароматических углеводородов в гидробионтах с применением щелочного гидролиза с последующим анализом целевых компонентов методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (см. Lim Н.Н., Shin Н.S. Simultaneous determination of 2-naphthol and 1-hydroxypyrene in fish and shellfish contaminated with crude oil by gas chromatography-mass spectrometry // Food chemistry. - 2013. - T. 138. - №. 2. - C. 791-796).

Недостатком этого метода является ограниченный набор определяемых компонентов: достоверно выделены два представителя ПАУ (2-нафтол и 1-гидроксипирен).

Известен метод определения полиароматического углеводорода, а именно нафталина, в мышечной ткани рыбы. Процедура извлечения нафталина из мышечной ткани рыбы проводилась смесью гексана и дихлорметана (1:1), последующей очисткой на колонках, заполненных активированным силикагелем. Разделение полиароматических углеводородов проводили с использованием метода газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС) (см. Hossain М.A. et al. Naphthalene, a polycyclic aromatic hydrocarbon, in the fish samples from the Bangsai river of Bangladesh by gas chromatograph-mass spectrometry //Arabian Journal of Chemistry. - 2014. - T. 7. - C. 976-980).

Недостатком этого метода является отсутствие информации о его применимости при анализе 16 основных приоритетных согласно требованиям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) ПАУ, а также общих углеводородов. Кроме того, методы требуют применения дорогостоящего и сложного в эксплуатации аналитического оборудования и специфических сорбционных материалов.

Известен также способ извлечения 16 приоритетных ПАУ с использованием техники дисперсионной микроволновой жидкостно-жидкостной микроэкстракции из образцов копченой рыбной продукции дихлорметаном (см. Mohammadi A. et al. Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in smoked fish samples by a new microextraction technique and method optimisation using response surface methodology //Food chemistry. - 2013. - T. 141. - №. 3. - C. 2459-2465).

Недостатком этого метода является применение его для потенциально загрязненных в результате копчения образцов и, соответственно, повышенный уровень содержания ПАУ. В природных образцах из относительно чистых акваторий содержание ПАУ может быть значительно ниже чувствительности данного метода.

Выбранный в качестве прототипа способ определения ПАУ в гидробионтах включает отбор проб, их сушку, измельчение и экстракцию целевых компонентов органическим растворителем, с последующей очисткой экстракта от липидов и хроматографическим определением полициклических ароматических углеводородов. При этом в качестве органического растворителя используют гексан.

Как и в предыдущих методах, основным недостатком является невозможность совместного извлечения углеводородов разных классов.

Задача разработанного способа - расширение диапазона исследуемых углеводородов.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в расширении диапазона исследуемых ПАУ до необходимого минимума, рекомендуемого ВОЗ (нафталина, бифенила, 2-метилнафталина, аценафтена, флуорена, фенантрена, антрацена, флуорантена, пирена, бенз(а)антрацена, хризена, бенз(b)флуорантена, бенз(k)флуорантена, бенз(а)пирена, дибенз(а,h)антрацена, бенз(g,h,i)перилена), и совместном извлечении с ними общих углеводородов.

Поставленная задача решается способом определения общих и полициклических ароматических углеводородов в компонентах экосистемы, включающим отбор проб массой 2-4 г, их сушку, измельчение и двухкратную экстракцию целевых компонентов дихлорметаном при воздействии на пробу ультразвуковых колебаний, фильтрование объединенного экстракта и упаривание досуха при давлении не выше 0,1 мм рт.ст. и температуре 65-70°C, обработку экстракта 2 см³ 2%-ного спиртового раствора едкого натра при температуре 60-65°C в течение 60 мин, после чего к экстракту прибавляют дистиллированную воду, двукратно экстрагируют целевые компоненты дихлорметаном, объединенный экстракт очищают на патроне, заполненном силикагелем и безводным сульфатом натрия, после чего его упаривают досуха, а сухой остаток растворяют в 1 см³ четыреххлористого углерода и делят на две равные части, из которых одну используют для определения общих углеводородов методом инфракрасной спектрометрии, а вторую часть сушат, отдувают азотом, а сухой остаток перерастворяют в ацетонитриле и используют для определения содержания полициклических ароматических углеводородов методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.

Использование в качестве органического растворителя дихлорметана дает возможность совместного извлечения полиароматических и общих углеводородов, а также повышения степени извлечения отдельных представителей ПАУ и ОУВ в целом.

Воздействие на пробу ультразвуковых колебаний направлено на интенсификацию и увеличение степени экстракции целевых компонентов.

Признаки «… фильтрование объединенного экстракта и упаривание досуха при давлении не выше 0,1 мм рт.ст. и температуре 65-70°C, обработку экстракта 2 см³ 2%-ного спиртового раствора едкого натра при температуре 60-65°C в течение 60 мин, после чего к экстракту прибавляют дистиллированную воду, двукратно экстрагируют целевые компоненты дихлорметаном, объединенный экстракт очищают на патроне, заполненном силикагелем и безводным сульфатом натрия, после чего его упаривают досуха, а сухой остаток растворяют в 1 см³ четыреххлористого углерода …» обеспечивают очистку экстрактов от соэкстрагируемых примесей для последующего определения содержания ОУВ и ПАУ.

Признак, указывающий, что образцы «делят на две равные части», позволяет одновременно готовить аликвоты экстракта для определения исследуемых ПАУ и ОУВ.

Признак «… для определения общих углеводородов методом инфракрасной спектрометрии …» указывает на метод, используемый для определения общих углеводородов.

Признаки «… вторую часть сушат, отдувают азотом, а сухой остаток перерастворяют в ацетонитриле и используют для определения содержания ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования …» указывают на метод, используемый для анализа и идентификации полиароматических углеводородов.

Способ осуществляют следующим образом.

Матрицу (например, мышечная ткань, донные осадки) сушат до воздушно-сухого состояния в термостате при температуре (70-75°С), достаточной для испарения влаги и не позволяющей разрушаться исследуемым компонентам, гомогенизируют на лабораторной шаровой мельнице до размера частиц, проходящих через сито с диаметром ячейки 0,5 мм. Навеску подготовленного образца массой 2-4 г, взятую с точностью 0,01 г, помещают в склянку, дважды экстрагируют порциями дихлорметана по 20 см³ (для максимально полной экстракции исследуемых компонентов) на ультразвуковой бане мощностью 50 Вт. Объединенный экстракт фильтруют через бумажный фильтр «белая лента» и упаривают досуха под вакуумом (при давлении не выше 0,1 мм рт. ст.) на водяной бане при температуре 65-70°С (для предотвращения деструкции анализируемых компонентов и интенсификации испарения дихлорметана). К сухому (или масляному при анализе гидробионтов) остатку прибавляют 2 см³ 2%-ного спиртового раствора едкого натра и оставляют смесь для полного омыления при температуре 60-65°С (водяная баня) на 60 минут. К полученной смеси прибавляют 50 см³ дистиллированной воды и переносят ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагируют порциями дихлорметана по 20 см³. В случае образования длительно не расслаивающейся (более 5 минут) эмульсии в смесь добавляют 1-2 г сухого хлорида натрия. Объединенный дихлорметановый экстракт (в делительной воронке нижний слой) очищают от соэкстрагирующихся примесей пропусканием через специально подготовленный полимерный патрон, оснащенный стеклянной пористой мембраной и заполненный силикагелем (100-200 меш, m=1 г), безводным сульфатом натрия (2 г) и небольшим комочком обезжиренной хлопчатобумажной ваты. Полученный экстракт упаривают досуха под вакуумом при давлении не выше 0,1 мм рт. ст. и температуре водяной бани 65-70°С (для предотвращения деструкции анализируемых компонентов и интенсификации испарения дихлорметана), полученный сухой остаток растворяют в 1,00 см³ четыреххлористого углерода и делят на две равные части. В первой части определяют ОУВ методом ИК-спектрометрии. Вторую часть сушат, остаток в колбе отдувают азотом до полного отсутствия четыреххлористого углерода, перерастворяют в 0,50 см³ ацетонитрила и определяют содержание ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.

Пример 1. Эксперименты проведены на мышечной ткани минтая, выловленного в районе, подверженном антропогенному загрязнению (залив Петра Великого Японского моря). Для этого филе минтая сушили до воздушно-сухого состояния в термостате при температуре 70°С, гомогенизировали на лабораторной шаровой мельнице до размера частиц, проходящих через сито с диаметром ячейки 0,5 мм. Навеску образца массой 2,00 г помещали в склянку, дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см³ на ультразвуковой бане мощностью 50 Вт.

Объединенный экстракт фильтровали через бумажный фильтр «белая лента» и упаривали досуха под вакуумом (при давлении 0,08 мм рт. ст.) на водяной бане при температуре 65°С. К масляному остатку прибавляли 2 см³ 2%-ного спиртового раствора едкого натра и оставляли смесь для полного омыления при температуре 60°С (водяная баня) на 60 минут. К полученной смеси прибавляли 50 см³ дистиллированной воды и переносили ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см³. В образовавшуюся эмульсию добавляли 1 г сухого хлорида натрия. Объединенный дихлорметановый экстракт (в делительной воронке нижний слой) очищали от соэкстрагирующихся примесей пропусканием через специально подготовленный полимерный патрон, оснащенный стеклянной пористой мембраной и заполненный силикагелем (100-200 меш, m=l г), безводным сульфатом натрия (2 г) и небольшим комочком обезжиренной хлопчатобумажной ваты. Полученный экстракт упаривали досуха под вакуумом при давлении 0,08 мм рт.ст. и температуре водяной бани 65°С, полученный сухой остаток растворяют в 1,00 см³ четыреххлористого углерода и делили на две равные части. В первой части определяли ОУВ методом ИК-спектрометрии. Вторую часть сушили, остаток в колбе отдували азотом до полного отсутствия четыреххлористого углерода, перерастворяли в 0,50 см³ ацетонитрила и определяли содержание ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.

Результаты сведены в таблицу 1.

Нижняя граница определяемых концентраций (НГОК) отдельных ПАУ составила от 0,08 до 3,2 нг, ОУВ - 1 мкг.

Пример 2. Используя метод «введено-найдено», проводили исследования степени извлечения 16 приоритетных полиароматических углеводородах (согласно классификации ВОЗ) и смеси общих углеводородов (турбинное масло ТП-22). Для этого готовили модельную смесь, прибавляя известное количество углеводородов (таблица 2) в матрицу (мышечная ткань минтая). Для этого филе минтая с внесенной смесью углеводородов сушили до воздушно-сухого состояния в термостате при температуре 75°С, гомогенизировали на лабораторной шаровой мельнице до размера частиц, проходящих через сито с диаметром ячейки 0,5 мм. Навеску образца массой 2,50 г помещали в склянку, дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см³ на ультразвуковой бане мощностью 50 Вт. Объединенный экстракт фильтровали через бумажный фильтр «белая лента» и упаривали досуха под вакуумом (при давлении 0,08 мм рт. ст.) на водяной бане при температуре 70°С. К масляному остатку прибавляли 2 см³ 2%-ного спиртового раствора едкого натра и оставляли смесь для полного омыления при температуре 65°С (водяная баня) на 60 минут. К полученной смеси прибавляли 50 см³ дистиллированной воды и переносили ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см³. В образовавшуюся эмульсию добавляли 2 г сухого хлорида натрия. Объединенный дихлорметановый экстракт (в делительной воронке нижний слой) очищали от соэкстрагирующихся примесей пропусканием через специально подготовленный полимерный патрон, оснащенный стеклянной пористой мембраной и заполненный силикагелем (100-200 меш, m=1 г), безводным сульфатом натрия (2 г) и небольшим комочком обезжиренной хлопчатобумажной ваты. Полученный экстракт упаривали досуха под вакуумом при давлении 0,05 мм рт. ст. и температуре водяной бани 70°С, полученный сухой остаток растворяли в 1,00 см четыреххлористого углерода и делили на две равные части. В первой части определяли ОУВ методом ИК-спектрометрии. Вторую часть сушили, остаток в колбе отдували азотом до полного отсутствия четыреххлористого углерода, перерастворяли в 0,50 см³ ацетонитрила и определяли содержание ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.

Результаты сведены в таблицу 2.

Пример 3. Используя метод «введено-найдено», проводили исследования степени извлечения 16 приоритетных полиароматических углеводородах (согласно классификации ВОЗ) и смеси общих углеводородов (турбинное масло ТП-22). Для этого готовили модельную смесь, прибавляя известное количество углеводородов (таблица 3) в матрицу (донные осадки). Для этого донные осадки с внесенной смесью углеводородов сушили до воздушно-сухого состояния в термостате при температуре 75°С, гомогенизировали на лабораторной шаровой мельнице до размера частиц, проходящих через сито с диаметром ячейки 0,5 мм. Навеску образца массой 4,00 г, помещали в склянку, дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см³ на ультразвуковой бане мощностью 50 Вт. Объединенный экстракт фильтровали через бумажный фильтр «белая лента» и упаривали досуха под вакуумом (при давлении 0,1 мм рт.ст.) на водяной бане при температуре 70°С. К масляному остатку прибавляли 2 см³ 2%-ного спиртового раствора едкого натра и оставляли смесь для полного омыления при температуре 60°С (водяная баня) на 60 минут. К полученной смеси прибавляли 50 см³ дистиллированной воды и переносили ее в делительную воронку. Целевые компоненты дважды экстрагировали порциями дихлорметана по 20 см³. В образовавшуюся эмульсию добавляли 2 г сухого хлорида натрия. Объединенный дихлорметановый экстракт (в делительной воронке нижний слой) очищали от соэкстрагирующихся примесей пропусканием через специально подготовленный полимерный патрон, оснащенный стеклянной пористой мембраной и заполненный силикагелем (100-200 меш, m=1 г), безводным сульфатом натрия (2 г) и небольшим комочком обезжиренной хлопчатобумажной ваты. Полученный экстракт упаривали досуха под вакуумом при давлении 0,1 мм рт.ст. и температуре водяной бани 70°С, полученный сухой остаток растворяли в 1,00 см³ четыреххлористого углерода и делили на две равные части. В первой части определяли ОУВ методом ИК-спектрометрии. Вторую часть сушили, остаток в колбе отдували азотом до полного отсутствия четыреххлористого углерода, перерастворяли в 0,50 см³ ацетонитрила и определяли содержание ПАУ методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в режиме градиентного элюирования с использованием флуоресцентного детектирования.

Результаты сведены в таблицу 3.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом характеризуется более высокой точностью определения ПАУ и ОУВ в различных матрицах за счет увеличения степени извлечения целевых компонентов при использовании ультразвуковой экстракции, а также повышения эффективности отделения углеводородов от липидов. При этом сокращаются продолжительность анализа (с 4,5 часов до 3 часов) и материальные затраты (в предложенном способе себестоимость анализов не превышает 200 рублей).