Методы анализа полигалогенированных углеводородов в пищевых продуктах и объектах окружающей среды

Основная трудность определения ПГУ, в частности диоксинов, заключает­ся в том, что эти соединения присутствуют в окружающей среде в ничтожно малых количествах, на уровне следов. Поэтому их определение в объектах окру­жающей среды, которые часто имеют сложный химический состав, подобно по­иску иголки в стоге сена и требует использования специальных аналитических методов и сложнейшего оборудования. Анализ ПГУ стал возможен лишь с по­явлением мощной аналитической базы, позволяющей исследовать эти вещества в количестве 10~¹² г.

В то же время сложность определения полигалогенированных углеводо­родов обусловлена тем, что указанные вещества представлены различными по составу химическими соединениями. Например, наряду с наиболее токсичными диоксинами 2,3,7,8-тетрахлордибенз-я-диоксином (2,3,7,8-ТХДЦ) и 2,3,7,8-тет-рахлордибензофураном (2,3,7,8-ТХДФ) существует 22 изомера ТХДД и 38 изо­меров ТХДФ, также обладающих высокой токсичностью. Совокупность одно-роднозамещенных полихлор- и полибромдибенз-я-диоксинов и дибензофуранов включает 420 индивидуальных соединений. Аналогичное разнообразие наблю­дается среди полигалогенированных бифенилов. Однороднозамещенные ПХБ включают 209 гомологов и изомеров. Столько же соединений входит в группы полибромбифенилов (ПББ), однороднозамещеных галогенированных азобензо­лов и их азоксианалогов. Такое количество высокоопасных соединений, цирку пирующих в окружающей среде, затрудняет их идентификацию, определение и выбор метода обнаружения.

Аналитические методы и приборы появились сравнительно недавно. Пер­выми полигалогенированными углеводородами, найденными в окружающей среде и пищевых продуктах, стали полихлорированные бифенилы. Аналитичес­кие методы выявления ПХБ основаны на методах, разработанных в 1970-х гг. для выявления хлорорганических пестицидов. Эти методы включают следую­щие этапы: экстракция ПХБ из анализируемого образца, очистка полученного экстракта, фракционирование и газохроматографическое определение.

Экстракция. Поскольку ПХБ представляют собой липофильные вещества, метод их экстракции из анализируемой матрицы основывается на отделении липидной фракции от остальных веществ, присутствующих в продукте. Это достигается путем экстракции липидной фракции методом Сокслета, в котором в ка­честве растворителей применяют комбинации неполярных растворителей, таких как пентан и гексан, с более полярными, такими как ацетон и дихлорметан. Раз­работаны методы экстракции ПХБ и диоксинов, основанные на использовании ультразвука и волн СВЧ, которые способствуют более быстрому и полному пе­реходу ПХБ в экстракт.

Очистка экстракта проводится с целью отделения ПХБ от липидов, вмес­те с которыми ПХБ были экстрагированы из продукта. Возможны два основных способа очистки; во-первых, липиды можно подвергнуть щелочному омылению; во-вторых, очистку экстракта можно провести концентрированной серной кис­лотой.

Фракционирование. Отделение полихлорированных бифенилов от при­сутствующих в экстракте других хлорированных углеводородов, таких как пестициды, проводят, как правило, с помощью твердофазной экстракции или гель-хроматографии. Очищенный экстракт наносят на специальный сорбент, где происходит сорбция ПХБ и других углеводородов. Используя последовательно растворители с различной полярностью, проводят фракционное элюирование, собирая фракции, содержащие отдельно ПХБ и другие полигалогенированные углеводороды, например пестициды.

Газохроматографическое определение. Поскольку ПХБ, как и диоксины, а также хлорорганические пестициды, являются летучими веществами, для их определения целесообразно применять газожидкостную хроматографию. Перво­начально детектирование проводилось с помощью электронозахватного детекто­ра, однако возникали трудности с идентификацией детектируемых компонентов, так как из-за большого разнообразия родственных соединений, которые могли присутствовать в анализируемой пробе, отсутствовали стандартные смеси ПХБ, которые включали бы все известные изомеры и гомологи ПХБ. Кроме того, не существует хроматографической колонки, способной разделить все 209 изоме­ров ПХБ в одном хроматографе.

Были разработаны технологии циркуляционной хроматографии, включаю­щей несколько колонок. Суть циркуляционной хроматографии состоит в следую­щем: сначала смесь анализируемых ПХБ разделяется на зоны в первой колонке, эти зоны подвергаются дальнейшему разделению во второй колонке, после чего компоненты смеси поступают в детектор.

В последнее время в качестве средства идентификации компонентов сме­сей, разделяемых с помощью капиллярной или циркуляционной хроматографии, широкое применение находит метод масс-спектрометрии органических соедине­ний. Большие возможности масс-спектрометрии как средства изучения структу­ры соединений, разделенных с помощью газовой хроматографии, использованы в многочисленных конструкциях комбинированных приборов, объединяющих достоинства обоих методов. Развитие этого направления привело к созданию хромато-масс-спектрометрии - наиболее совершенного метода изучения соста­ва сложных смесей веществ, сочетающего высокую разделяющую способность капиллярной хроматографии с присущими масс-спектрометрии высокой чувст­вительностью и большими возможностями получения информации о составе и строении анализируемых соединений.

Основная идея данного метода заключается в том, чтобы зафиксировать масс-спектр идентифицируемого соединения за время, малое по сравнению со временем, в течение которого соответствующая зона выходит из капиллярной колонки. Разделенные в колонке соединения поступают в масс-спектрометр, где их молекулы ионизируются; образующиеся ионы подвергаются разделению по их массе, а точнее, по соотношению массы и заряда. В процессе ионизации ор­ганических соединений обычно происходит распад исходной молекулы на более простые фрагменты, регистрируемые как ионы с меньшей массой. Ионизация молекул может осуществляться при соударениях с быстро движущимися элект­ронами, термическим путем, под влиянием высокочастотного электромагнитного поля, при действии искрового или дугового разряда или в результате химической ионизации. Образующиеся ионы разгоняются в электрическом поле, после чего подвергаются разделению по их массам с помощью анализаторов различного типа, при этом проводится запись масс-спектров анализируемых соединений.

Вид записанного масс-спектра позволяет делать вполне определенные за­ключения о химической структуре изучаемых соединений. Многочисленные масс-спектры органических веществ сведены в каталоги и атласы, с помощью которых решается проблема идентификации пиков разделенных компонентов на хроматограмме.

Следует отметить, что в 1993 г. в России один анализ на диоксины стоил 5 тыс. долларов. Сейчас его стоимость составляет 1-3 тыс. долларов США. Од­нако, поскольку у большинства государств отсутствуют средства на регулярное проведение подобных анализов, например, на мусороперерабатывающих заво­дах, о составе выбросов, ежедневно поступающих в атмосферу и гидросферу из труб предприятий, можно только догадываться.

Так как массовый мониторинг диоксинов сейчас невозможен, его прово­дят в основном в горячих точках - регионах, где назрела экологическая опас­ность и предполагается их присутствие. Как правило, это места производства и переработки хлорорганических продуктов и территории потенциально опас­ных химических и нефтехимических предприятий. Другие, более дешевые ме­тоды определения диоксинов не применяют из-за их неэффективности, хотя современная аналитическая химия располагает чувствительными методами и средствами определения веществ на уровне следовых концентраций. В на­стоящее время проанализировано много различных объектов на содержание в них диоксинов. Сейчас мониторинг диоксинов осуществляется в США, Канаде, Японии, большинстве стран Западной Европы. В России также проводятся подобные ра­боты. В настоящее время пять аккредитованных лабораторий мониторинга диоксинов имеют соответствующие разрешения на его проведение, а результаты их анализа являются официальным документом, характеризующим содержание этого класса суперэкотоксикантов в объектах окружающей среды.