Ćw 1. Ekstrakcja pestycydów

UNIWERSYTET GDAŃSKI
WYDZIAŁ CHEMII
Pracownia studencka
Zakład Analizy Środowiska
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Ćwiczenie nr 1
Ekstrakcja pestycydów chloroorganicznych
z gleby i opracowanie metody analizy techniką
chromatografii gazowej
Chemia środków ochrony roślin
Gdańsk, 2013
1. Chemia środków ochrony roślin – Ekstrakcja pestycydów z gleby i analiza techniką GC
2
1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA
Techniki ekstrakcyjne są najczęściej stosowanymi metodami izolacji i wzbogacania
analitów występujących w próbkach środowiskowych. Stosowane są one w analityce śladowych
składników
próbek
gazowych,
ciekłych
oraz
stałych
w
celu
usunięcia
substancji
zanieczyszczających oraz osiągnięcia odpowiedniej granicy wykrywalności (LOD). Podczas
procesu ekstrakcji następuje przeniesienie analitów z próbki (matrycy pierwotnej) do matrycy
odbierającej (tzw. wtórnej), która ma zazwyczaj prosty, ściśle zdefiniowany skład chemiczny.
Wprowadzenie etapu ekstrakcji do procedury analitycznej daje zazwyczaj następujące korzyści:
•
przeniesienie analitów do matrycy o znacznie prostszym niż matryca pierwotna i
jednocześnie jednoznacznie określonym składzie chemicznym, najczęściej bardziej
odpowiedniej do oznaczeń końcowych,
•
usunięcie składników przeszkadzających w analizie końcowej,
•
możliwość podniesienia stężenia analitów powyżej granicy oznaczalności stosowanej
•
techniki i przyrządu pomiarowego.
Należy jednak pamiętać, że proces ekstrakcji może prowadzić do straty pewnej części analitów i
wprowadzać dodatkowe zanieczyszczenia próbki. Ekstrakcja zanieczyszczeń organicznych (np.
węglowodorów aromatycznych i alifatycznych czy pestycydów) z gleby jest przykładem ekstrakcji
próbek stałych. Proces ten może być realizowany na wiele sposobów, jak obrazuje Rysunek 1.
Ekstrakcja cieczą jest podstawowym procesem wyodrębniania związków organicznych z
próbek stałych. Polega ona na wybiórczym rozpuszczaniu substancji znajdującej się w stałej próbce
w określonym rozpuszczalniku. Obecnie stosowane techniki ekstrakcji próbek stałych cieczą dzielą
się na trzy zasadnicze grupy (patrz też Tabela 1):
•
Techniki klasyczne, do których zaliczamy: ekstrakcję rozpuszczalnikiem z wytrząsaniem,
ekstrakcję za pomocą strumienia rozpuszczalnika, saponifikację, ekstrakcję w aparacie
Soxhleta oraz homogenizację próbki z rozpuszczalnikiem;
•
Nowoczesne techniki z wykorzystaniem dodatkowych czynników do wspomagania
ekstrakcji (ultradźwięki czy promieniowanie mikrofalowe). Do tej grupy technik
ekstrakcji należy sonikacja, przyśpieszona ekstrakcja z pomocą rozpuszczalnika (ASE),
ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika pod zwiększonym ciśnieniem (MPLE), ekstrakcja
z pomocą rozpuszczalnika wspomagana promieniowaniem mikrofalowym (MAE);
•
Techniki, w których wykorzystuje się płyny w stanie nadkrytycznym (SFE).
1. Chemia środków ochrony roślin – Ekstrakcja pestycydów z gleby i analiza techniką GC
3
Rysunek 1. Klasyfikacja technik ekstrakcji z próbek stałych (J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz, M.
Pilarczyk, L. Torres, Przygotowanie próbek środowiskowych do analiz, WNT, Warszawa, 2000).
Tabela 1. Porównanie różnych technik ekstrakcji z wykorzystaniem rozpuszczalników ze względu
na czas trwania procesu i ilość zużywanych rozpuszczalników (J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz, M.
Pilarczyk, L. Torres Przygotowanie próbek środowiskowych do analiz, WNT, Warszawa, 2000).
1. Chemia środków ochrony roślin – Ekstrakcja pestycydów z gleby i analiza techniką GC
4
Pestycydy chloroorganiczne, stosowane na szeroką skalę w latach 1940-1970, należą do tzw.
trwałych zanieczyszczeń organicznych (POPs, Persistent Organic Pollutants). Stanowią dziewięć
spośród dwunastu zanieczyszczeń tego typu, zdefiniowanych przez Konwencję Sztokholmską,
podpisaną w 2001 r. (weszła w życie trzy lata później). Ich wspólną cechą jest wysoka lipofilowość,
duża trwałość w środowisku (nawet kilkadziesiąt lat) oraz zdolność do gromadzenia się w
organizmach zwierzęcych (bioakumulacja) i przenoszenie wzdłuż łańcuchów pokarmowych
(biomagnifikacja). Jednym z celów Konwencji jest eliminacja z użycia wszystkich pestycydów,
ujętych w Tabeli 2. Wyjątkiem jest stosowanie DDT do zwalczania owadów przenoszących
choroby; dodatkowo, pewne ilości heksachlorobenzenu powstają jako produkt uboczny niektórych
procesów przemysłowych. Począwszy od roku 2009, lista POPs ulega rozszerzeniu na kolejne
związki chemiczne.
Tabela 2. Pestycydy, ujęte na liście trwałych zanieczyszczeń organicznych w 2001 roku, wg
Konwencji Sztokholmskiej (zakres stosowania wg Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska).
Pestycyd
Zakres stosowania
Aldryna
Insektycyd, stosowany w uprawach kukurydzy i bawełny;
zwalczanie termitów
Dieldryna
Chlordan
DDT
Insektycyd, stosowany w wielu uprawach; zwalczanie
termitów
Insektycyd, stosowany w wielu uprawach; zwalczanie owadów
przenoszących choroby
Endryna
Insektycyd, stosowany głównie w uprawach bawełny i zbóż;
rodentocyd
Heptachlor
Insektycyd, stosowany głównie do zwalczania owadów w
glebie; także do zwalczania owadów przenoszących choroby
Heksachlorobenzen
Fungicyd; stosowany także w przemyśle chemicznym; bywa
zanieczyszczeniem innych pestycydów
Mirex
Insektycyd; stosowany także w przemyśle chemicznym
Toksafen
Insektycyd o szerokim zakresie stosowania
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
2.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest porównanie wydajności technik ekstrakcji pestycydów z próbek gleby,
1. Chemia środków ochrony roślin – Ekstrakcja pestycydów z gleby i analiza techniką GC
5
przy wykorzystaniu:
· rożnych matryc: mokrej i suchej gleby, zanieczyszczonej mieszaniną pestycydów
chloroorganicznych
· ekstrakcji z mieszaniem oraz wspomaganej ultradźwiękami
Jako rozpuszczalnik do ekstrakcji wykorzystany zostanie dichlorometan. Zanieczyszczona
gleba pochodzi z miejsca składowania znacznej ilości odpadów zawierających pestycydy
chloroorganiczne.
2.2. Wykonanie ćwiczenia
2.2.1. Ekstrakcja z gleby suchej
Ekstrakcję należy wykonać zgodnie z poniższym schematem, w punkcie 5 należy dodać
określoną przez prowadzącego ilość roztworu wzorca wewnętrznego.
Rysunek 2. Schemat części doświadczalnej – ekstrakcja pestycydów z gleby suchej.
1. Chemia środków ochrony roślin – Ekstrakcja pestycydów z gleby i analiza techniką GC
6
2.2.2. Ekstrakcja z gleby mokrej
Ekstrakcję należy wykonać zgodnie z poniższym schematem, w punkcie 5 należy dodać
określoną przez prowadzącego ilość roztworu wzorca wewnętrznego.
Rysunek 3. Schemat części doświadczalnej – ekstrakcja pestycydów z gleby mokrej.
2.2.3. Analiza metodami GC-FID i GC-MS
Uzyskane ekstrakty należy poddać analizom chromatograficznym (GC-FID oraz GC-MS)
korzystając z warunków opracowanych na zajęciach we współpracy z prowadzącym
ćwiczenia.
3. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Na podstawie wyników analizy GC-MS (poprzez porównanie uzyskanych widm mas z
widmami obecnymi w bibliotece NIST), należy zidentyfikować obecne w próbce pestycydy.
Następnie, na podstawie uzyskanych pól powierzchni analitów oraz sygnału wzorca
1. Chemia środków ochrony roślin – Ekstrakcja pestycydów z gleby i analiza techniką GC
7
wewnętrznego należy dokonać oceny skuteczności wykorzystanych technik ekstrakcji
pestycydów z próbek gleby (suchej i mokrej) i oszacować zawartość poszczególnych
związków w badanej próbce.
4. SZKŁO I ODCZYNNIKI
4.1. Odczynniki i sprzęt laboratoryjny
•
próbki gleby suchej i mokrej zanieczyszczonej mieszaniną pestycydów,
•
dichlorometan,
•
roztwór wzorca wewnętrznego,
•
bezwodny siarczan (VI) sodu,
•
waga analityczna,
•
wyparka rotacyjna,
•
mieszadło magnetyczne,
•
szpatułka metalowa - 2 szt.,
•
szczypce metalowe - 1 szt.,
•
bagietka szklana - 2 szt.,
•
pipeta Pasteura - 5 szt.,
•
butelka z nakrętką (poj. 2mL) - 3 szt.,
•
strzykawka szklana 100 µL,
•
strzykawka do GC 10 µL,
•
cylinder miarowy 250 mL - 1 szt.,
•
cylinder miarowy 50 mL - 1 szt.,
•
kolby stożkowe 100 mL - 3 szt.,
•
kolby okrągłodenne 100 mL – 3 szt.,
•
lejek szklany – 3 szt.,
•
sączki twarde jakościowe
4.2. Aparatura laboratoryjna
•
Chromatograf gazowy Trace 2000 GC (Thermo Scientific) z detektorem FID
•
Chromatograf gazowy sprzężony ze spektrometrem mas Shimadzu QP-2O1OSE