Analityka Zanieczyszczeń Środowiska

Oznaczanie pestycydów
Katedra
Chemii
Analitycznej
Analityka Zanieczyszczeń Środowiska
Oznaczanie Pestycydów w Wodach (GC)
Prowadzący: mgr inż. Monika Kosikowska
Gdańsk, 2010
1
Oznaczanie pestycydów
1. Wprowadzenie
Pestycydy to liczna i zróżnicowana grupa związków chemicznych, ich zastosowanie celnie
określa nazwa postała z połączenia dwóch łacińskich słów pestis – szkodnik i cedeo –
niszczyć. Pestycydy stanowią grupę zanieczyszczeń środowiska bardzo często występujących
w wodach powierzchniowych i gruntowych. Największe ich stężenia stwierdza się w okresie
spływu wód roztopowych oraz wykonywania zabiegów agrochemicznych. Ważną drogą
transportu pestycydów są opady atmosferyczne, za pośrednictwem których zanieczyszczeniu
ulegają zbiorniki wodne znajdujące się w dużej odległości od terenów rolniczych. Wybór
sposobu przygotowania próbek zależy od postaci próbki, rodzaju matrycy i analitów oraz
dostępnych metod instrumentalnych. Sposób pobierania próbek wody w dużym stopniu
zależy od składu chemicznego zanieczyszczeń wody i celu analizy. Stężenia pestycydów w
wodach 0,001 ug/l nie są zagrożeniem. NSD dla sumy wszystkich pestycydów (obejmuje
wszystkie oznaczone w analizie pestycydy) wynosi 0,50 ug/l. Określa to dyrektywa, która
powinna być wdrożona do stosowania w listopadzie 2003 roku. Problem zagrożenia
pestycydami fauny i flory wód powierzchniowych jest na tyle skomplikowany, że dotychczas
opracowano na ten temat bardzo mało norm i przepisów prawnych. Polskie przepisy dotyczą
jakości wód powierzchniowych i obejmują tylko trzy grupy pestycydów:
insektycydy z grupy węglowodorów chlorowcoorganicznych - 0,05 ug/l,
insektycydy fosforoorganiczne i karbaminianowe - dopuszczalne stężenie 1,0 ug/l.
Pestycydy są związkami o średniej lotności. Ich aktywność może być klasyfikowana w
rozmaity sposób:
w zależności od struktury chemicznej:
o pestycydy nieorganiczne,
o pestycydy organiczne;
w zależności od typu organizmów, na które działają:
o zoocydy (insektycydy, rodentycydy, bakteriocydy, larwicydy, itd.),
o herbicydy,
o fungicydy,
2
Oznaczanie pestycydów
o odnośnie roślin (regulatory wzrostu, synergetyki, desykanty, defloranty);
w zależności od grupy chemicznej:
o chloroorganiczne,
o fosforoorganiczne,
o pochodne kwasu karbaminowego (uretany),
o pochodne kwasów fenoksykarboksylowych,
o pochodne triazynowe.
2. Ogólne zasady postępowania przy oznaczaniu pestycydów w wodach
Pestycydy występują w wodach na stosunkowo niskich poziomach stężeń. Dlatego
niezbędny jest etap izolacji pestycydów ze skomplikowanej matrycy wodnej oraz etap
wzbogacania przed ostatecznym oznaczeniem końcowym. Etapy postępowania przy
analizie śladowych ilości pestycydów:
3
Oznaczanie pestycydów
Podstawowe źródła zanieczyszczenia próbki w składniki śladowe to:
• zanieczyszczenia wtórne z powietrza,
• wtórne zanieczyszczenie próbki na skutek kontaktu z naczyniami,
• zanieczyszczenie próbki przez składniki mieszanin do mycia naczyń laboratoryjnych,
• zanieczyszczenie próbki przez odczynniki stosowane w analizie pestycydów.
3. Metody izolacji (wzbogacania) pestycydów z próbek wody
Mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej (SPME) - jest odmianą ekstrakcji do fazy stałej.
Różnica, w porównaniu z ekstrakcją do fazy stałej, polega na modyfikacji sorbentu. Sorbent
nanoszony jest na cienkie włókno szklane lub kwarcowe. Najczęściej stosowanymi
sorbentami są: polidimetylosiloksan (PDMS), poliakryl (PA) i różne ich mieszaniny, np.
polidimetylosiloksan - polidiwinylobenzen (PDMS / DVB), Carbowax, Carboxen. Takie
osadzenie warstwy sorbentu powoduje, że zewnętrzna powierzchnia włókna ma cylindryczny
kształt. Ułatwia to wymianę masy podczas wzbogacania i uwalniania zatrzymanych
związków oraz eliminuje problemy związane z zatykaniem złoża. Analiza techniką
mikroekstrakcji do fazy stacjonarnej składa się z dwóch etapów: pierwszym jest podział
związków organicznych pomiędzy fazą stacjonarną osadzoną na włóknie i matrycę - jest to
etap adsorpcji. O ilości związku w fazie stacjonarnej decyduje współczynnik podziału.
Drugim etapem jest desorpcja termiczną (gorący dozownik). Wysoka temperatura powoduje
znaczną zmianę współczynnika podziału związków zatrzymanych na fazie stacjonarnej w
kierunku desorpcji do fazy gazowej (gaz nośny). Uwolnione w ten sposób cząsteczki analitów
są porywane przez gaz nośny i przenoszone do kolumny chromatograficznej, w której
następuje ich rozdzielenie, a następnie oznaczenie ilościowe. Mikroekstrakcja do fazy
stacjonarnej łączy w jednym etapie izolację i wzbogacanie analitów. Zaletą metody jest
całkowite wyeliminowanie rozpuszczalników i brak wrażliwości na zawiesiny obecne w
próbce. SPME może być stosowana do wielu rodzajów próbek: ciekłych, gazowych i stałych.
Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz - polega na wykorzystaniu korzystnego współczynnika
podziału analizowanych związków między rozpuszczalnik organiczny, którym ekstrahuje się
oznaczane anality a fazę wodną. Metody te są łatwe w wykonaniu i nie wymagają
skomplikowanej aparatury, jednak wymagają stosowania dużych objętości drogich i
toksycznych rozpuszczalników. Najczęściej stosowanymi rozpuszczalnikami są: aceton i
acetonitryl, które dobrze mieszają się z wodą. Do ekstrakcji mogą być również stosowane
4
Oznaczanie pestycydów
takie rozpuszczalniki organiczne jak heksan, dichlorometan czy eter naftowy. Są to
rozpuszczalniki nie mieszające się z wodą, które efektywnie i selektywnie ekstrahują
pestycydy, np. eter naftowy stosuje się przede wszystkim do ekstrakcji niepolarnych
pestycydów.
Metody izolacji wykorzystujące membrany membrana to selektywna przegroda między
dwiema fazami.
Ekstrakcja do fazy stałej (SPE) - zasada ekstrakcji polega na wykorzystaniu zjawiska
podziału związków między dwie fazy: stałą i ciekłą. W pierwszym etapie anality są
zatrzymywane na powierzchni złoża sorbentu przy czym muszą mieć większe powinowactwo
do fazy stałej niż do matrycy próbki. Ekstrakcja do fazy stałej umożliwia przechowywanie
analitów niestabilnych lub o dużej lotności na powierzchni stałego sorbentu oraz
wykonywanie reakcji derywatyzacji między aktywnymi grupami analitu i sorbentu. Właściwy
proces ekstrakcji analitów do fazy stałej jest zwykle poprzedzony etapem kondycjonowania
złoża sorbentu. Proces ten polega na przygotowaniu powierzchni sorbentu do efektywnej
izolacji i wzbogacania analitów z wody. W wyniku kondycjonowania sorbentu centra
aktywne złoża ulegają aktywacji np. w przypadku żelu krzemionkowego modyfikowanego
fazą oktadecylową skręcone łańcuchy ulegają rozprostowaniu, tworząc na powierzchni
sorbentu swego rodzaju szczotkę o znacznie powiększonej powierzchni aktywnej. Należy
zwrócić uwagę, aby ten sam rozpuszczalnik był stosowany zarówno do kondycjonowania, jak
i do elucji analitów z powierzchni sorbentu po wzbogaceniu. W praktyce kondycjonowanie
przeprowadza się przez przepłukanie złoża niewielką objętością rozpuszczalnika lub
rozpuszczalników organicznych oraz rozpuszczalnika o właściwościach najbardziej
zbliżonych do właściwości matrycy badanej próbki (wody dejonizowanej w przypadku
próbek wodnych).
Oddzielenia analitów od zanieczyszczeń w trakcie SPE można dokonać trzema następującymi
sposobami, prowadząc:
ekstrakcje selektywną - na sorbencie w trakcie wzbogacania są zatrzymywane jedynie
oznaczane
związki
organiczne,
a
pozostałe
przechodzą
przez
złoże
bez
zatrzymywania,
5
Oznaczanie pestycydów
selektywne wymywanie zanieczyszczeń - w trakcie płukania złoża sorbentu są
wymywane zanieczyszczenia, a oznaczane anality pozostają na złożu i są wymywane
innymi rozpuszczalnikami,
selektywne wymywanie analitu - wymywanie oznaczanych związków przy
jednoczesnym
pozostawaniu
na
złożu
sorbentu
związków
stanowiących
zanieczyszczenie.
Najczęściej stosuje się ekstrakcję takimi rozpuszczalnikami, jak: dichlorometan, pentan,
aceton, metanol, izopropanol, octan etylu, heksan, acetonitryl, izooktan lub ich mieszaniny.
Najbardziej skutecznym rozpuszczalnikiem do wymywania zaadsorbowanych pestycydów ze
złoża sorbentu jest dichlorometan ze względu na swoją dużą siłę eluotropową. Do izolacji
pestycydów najczęściej używane są sorbenty węglowe, polimerowe oraz modyfikowane żele
krzemionkowe.
„Historia SPE”
wytrząsanie z sorbentem - początkowo ekstrakcja do fazy stałej była wykonywana przez
dodanie sorbentu do fazy ciekłej badanej próbki i wytrząsanie przez określony czas.
Następnie fazy były rozdzielane przez filtrację lub dekantację.)
kolumienki - dostępny w handlu sorbent jest upakowany w kolumienkach między dwoma
dyskami filtracyjnymi, a faza ciekła jest przepuszczana przez kolumienkę pod wpływem sił
grawitacji lub podciśnienia (met. dynamiczna). Jako sorbentów używa się żelu
krzemionkowego modyfikowanego fazą oktylową (C8) lub oktadecylową (C18) oraz
polimeru diwinylobenzenu (DVB).
zestaw Empore - Do oznaczania próbek o dużej objętości oraz zawiesin wprowadzono krążki
ekstrakcyjne - przypominające zewnętrznie krążki filtracyjne - w których sorbent jest
umieszczony w szkielecie teflonowym. Krążki ekstrakcyjne typu Empore składają się w 90%
z ziaren krzemionki o średnicy 10 μm pokrytych chemicznie związaną fazą C18 spojonych
włóknami teflonowymi (PTFE). Materiały te ze względu na małą pojemność sorpcyjną i
trudności w uzyskaniu wysokiej odtwarzalności odzysków, zalecane są do stosowania w
praktyce laboratoryjnej z dużym wyczuciem analitycznym.
6
Oznaczanie pestycydów
Współcześnie
Speeddisk - Modyfikacją krążków ekstrakcyjnych są tzw. szybkie dyski ekstrakcyjne (ang.
speeddisk), w których warstwa złoża sorpcyjnego jest w szkielecie teflonowym pomiędzy
filtrami z włókna szklanego (szczególnie przydatne do ekstrakcji analitów z próbek mętnych
zawierających zawiesinę materii organicznej i nieorganicznej).
Właściwości:
są odporne na zatykanie (w odróżnieniu od kolumienek)
prosta budowa pozwala na podłączenie ich do niemal wszystkich systemów
ekstrakcyjnych,
konstrukcja dysków umożliwia przepływ próbki wodnej o dużym natężeniu (250
ml/min.), dzięki temu uzyskuje się zaskakująco wysokie odzyski.
Najnowszym osiągnięciem firmy J.T. Baker jest produkt nazwany SPEEDISK COLUMN.
Jest to połączenie klasycznej kolumienki i Speedisku. Speedisk Column składa się z
kolumienki, w której umieszczono kolejno od dołu: siatkę, filtr, złoże „mikrocząsteczkowe”,
kolejny filtr oraz sito – chroniące złoże przed zanieczyszczeniami. Konwencjonalne
kolumienki SPE zawierają sorbenty o średniej średnicy ziaren około 40 μm, co skutkuje m.in.
koniecznością stosowania dużej ilości rozpuszczalników stosowanych do elucji w SPE.
Speedisk Columns zawierają „mikroziarniste” złoże na bazie żelu krzemionkowego (o
średniej średnicy ziarna 10 μm) lub polimerowe (o średniej średnicy ziarna 15 μm). Nowe
złoża mają bardzo dużą powierzchnię właściwą. Unikalna budowa zapewniająca laminarny
przepływ przez kolumienki Speedisk umożliwia efektywne działanie przy zmniejszonej
objętości rozpuszczalnika oraz zachowaniu wysokiej pojemności sorpcyjnej. Stosowane są
złoża o małej średnicy ziarna, co jest możliwe dzięki unikalnej konstrukcji kolumny
wykorzystującej filtr ochronny i cienką warstwę złoża. Czas przepływu jest krótszy, końcowe
stężenie analitu wyższe i można uniknąć konieczności wzbogacania próbki po ekstrakcji.
Natomiast wbudowany filtr stanowi dodatkową ochronę przed zatykaniem się kolumny oraz
pozwala na ominięcie etapu filtracji próbki.
7
Oznaczanie pestycydów
Przygotowanie zestawu do wzbogacania techniką SPE
(Solid Phase Extraction)
Procedura
1. Przeprowadzamy badania modelowe na kolumienkach ze złożem sorbentów RP18
przepuszczając przez nie wodę destylowaną z dodatkiem wzorców.
2. Kondycjonowanie złoża
1x3 ml DCM
2x3 ml metanolu
1x3 ml wody dejonizowanej.
3. Przepuszczamy przez kolumienki 200ml przygotowanej próbki z dodatkiem wzorca
(prędkość przepływu 8-17 ml/min.).
4. Suszymy złoże sorbentu (ok. 0,5 h).
5. Eluujemy anality ze złoża porcjami DCM (3x2 ml) do jednej fiolki.
6. Usuwamy nadmiar rozpuszczalnika w strumieniu azotu i wymieniamy go na metanol
(0,5 ml).
7. Dozujemy do kolumny chromatograficznej pojedyncze wzorce i mieszaninę
pestycydów w celu określenia czasów retencji i powierzchni pod pikami dla
poszczególnych substancji.
8. Dozujemy próbki do kolumny chromatograficznej.
8
Oznaczanie pestycydów
Sprawozdanie
Każda grupa wykonuje sprawozdanie i oddaje w przeciągu tygodnia do prowadzącego
ćwiczenie. W przypadku zwrotu – należy odebrać sprawozdanie i poprawić je także w
przeciągu tygodnia od dnia odebrania zwrotu.
Wytyczne do przygotowania sprawozdania:
1. Ogólne wiadomości o pestycydach
2. Ogólne wiadomości o SPE
3. Rodzaje złóż i krótka charakterystyka
4. Przebieg ćwiczenia wg instrukcji
5. Wyniki
• Odczytać z chromatogramów powierzchnie pod pikami odpowiadające poszczególnym
pestycydom z mieszaniny wzorcowej.
• Odczytać z chromatogramów powierzchnie pod pikami odpowiadające poszczególnym
pestycydom w ekstraktach otrzymanych z kolumienek.
Obliczenia
Powierzchnia piku danej substancji w mieszaninie stanowi 100%, natomiast powierzchnia piku
danej substancji w ekstrakcie z kolumienki to x %.
9. Wnioski
• Od czego zależy wielkość odzysku pestycydów
Literatura:
Pestycydy, występowanie, oznaczanie i unieszkodliwianie, (red.) Biziuk M., WNT, Warszawa
2001.
9