VI.2. Отбор, подготовка и очистка пробы

Техника отбора пробы должна быть адекватна характеру образца. Это может быть отбор почв в емкости фиксированных размеров, отбор слоя донных отложений со дна водоемов, сбор и нарезание растительности, сбор атмосферной пыли в специальные сосуды и высокообъемные пробоотборники, смыв пыли или соскабливание верхнего слоя с твердых поверхностей, сорбция веществ из воды и взятие проб грунтовых или поверхностных вод и, наконец, специализированный отбор биологическтих образцов животного происхождения (отбор жидкостей, органов и тканей). Сформировалась техника отбора проб. Пробы воздуха, например, отбирают на специальных установках, состоящих из последовательно соединенных фильтров для отбора аэрозолей и патронов с различными поглотителями для улавливания газообразных веществ.

Подготовка пробы также включает ряд операций — просеивание (почвы), высушивание (почвы и донные отложения) и лиофилизацию (биологические субстраты), гомогенизацию (объекты окружающей среды), а также кислотную (воды, почвы, донные отложения, биологические субстраты) и щелочную (растительность, осадки, биологические субстраты) обработку [206].

При отборе пробы возникает проблема нужного количества, поскольку предел обнаружения искомой группы веществ должен быть обеспечен на уровне ppt. Одновременно должна быть исключена возможность появления ошибочных результатов. В принципе уже для проб в 1 г удается достигнуть предела обнаружения 1-10 ppt по диоксину I. Это особенно важно для образцов биологических объектов животного происхождения — крови, молока, жировой ткани и т.д. В противном случае приходится иметь дело не только с большими количествами образца, но и с большим влиянием матрицы. Для проб воздуха, воды и почв проблема объемов менее актуальна (если отвлечься от роли матрицы). Для обнаружения фемтограммовых количеств I в воздухе можно, например, взять пробу из объема порядка 1 тыс. м3 [892].

Извлечение диоксинов и последующая их очистка проводятся таким образом, чтобы определяемые вещества не были утрачены в этом процессе или же не образовывались вновь. Контроль обеспечивается внесением в пробу одного или нескольких внутренних стандартов из числа соединений семейств ПХДД и ПХДФ, меченных изотопом 13C, 14C или 37Cl [206,211,264,269,270,881,978]. Степень извлечения стандарта составляет обычно 70-80% [926].

Смесь диоксинов извлекается из пробы обычно экстракцией органическими растворителями — гексаном, бензолом, толуолом, хлороформом, хлористым метиленом, петролейным эфиром и т.д. или же смесями растворителей (гексан-ацетон, хлороформ-метанол, хлористый метилен-циклогексан и т.д.) [206,878,903,979]. Очень эффективным оказался ДМСО [905]. Экстракцию проводят вручную или механическим встряхиванием (пригодно для субстратов всех типов), а также в аппарате Сокслета (частицы почвы и воздушной пыли).

Серьезную проблему при извлечении диоксинов представляет их взаимодействие с веществом матрицы. Чем прочнее они связаны с матрицей, тем хуже они извлекаются. Повышение полноты извлечения диоксинов обеспечивается многими способами — воздействием на образец ультразвуковых колебаний (почва, донные отложения, твердая фракция воды и воздуха) [206,927,980], сорбцией их с помощью полимерных смол (вода, воздух) [206,918,925], экстракцией с использованием суперкритической жидкости [890,900,941] и т.д.

Метод извлечения ПХДД и ПХДФ из проб различной природы с использованием суперкритической жидкости рассматривают в качестве альтернативы традиционной экстракции в аппарате Сокслета. В качестве носителя обычно используют CO2, чья сольватирующая способность в сверхкритических условиях (40°, давление 300 атм) близка к фреонам или гексану (при сравнительно низкой токсичности). Процесс поддается оптимизации [900] и может быть полностью автоматизирован [890]. Его используют особенно эффективно при определении ПХДД и ПХДФ в почвах, донных отложениях, твердых отходах и летучей золе [890,900], причем для этого требуется минимум образца (2-3 г) [900]. При извлечении ПХДД и ПХДФ с использованием CO 2 из образцов, обогащенных жирами, не происходит разрушения образца, что позволяет проводить одновременно определение в нем других веществ [941]. Среди других достоинств метода — сокращение времени экстракции и очистки, возможность соединения экстрактора непосредственно с хромато-масс-спектрометром и т.д. [890,900].

В органических экстрактах, кроме искомых диоксинов, содержатся многочисленные вещества биогенного и антропогенного происхождения, которые серьезно затрудняют дальнейшую аналитическую процедуру. Для очистки экстрактов от сопутствующих веществ используют различные методы: перераспределение из одной системы растворителей в другую, а также многоступенчатую очистку с использованием современной хроматографической техники (колонок, гель-хроматографии, высокоэффективной жидкостной хроматографии и т.д.). Процедура очистки образцов окружающей среды предусматривает многократное хроматографирование (на чистом оксиде кремния, оксиде кремния, модифицированном серной кислотой, и на оксиде алюминия), что обеспечивает извлечение всех веществ семейств ПХДД и ПХДФ при содержании наиболее токсичного 2,3,7,8-ТХДД на уровне 1-10 ppt [44,264].

Более эффективной является очистка биологических объектов и объектов окружающей среды с использованием хроматографии на активированном угле [211,881], который преимущественно удерживает плоские полиядерные ароматические углеводороды. Эффективность специфического извлечения последних на активированном угле подтверждена сравнением различных методов очистки 2,3,7,8-ТХДД (при определении его содержания в организме рыб) [978], а также других диоксинов ПХДД и ПХДФ [192]. Экстракты жировой ткани или образцов животного и растительного происхождения очищают от примесей легко разрушающихся органических веществ обработкой концентрированной серной кислотой.

В целом сложившаяся практика очистки образцов включает по крайней мере шесть методик. Сюда входит очистка на колонке типа экстрелют (биологические субстраты), на силикагеле (образцы почв и растений), на колонке с флорисилом, т.е. силикатом магния (большинство субстратов), на колонке с оксидом алюминия (большинство субстратов), обработка кислотой (большинство субстратов) и ацетонитрилом (образцы с высоким содержанием жира и масел) [206]. П

осле очистки экстрактов осуществляется концентрирование диоксинов на колонках с активированным углем марки РХ-21 (фирма «Амоко», «Amoko Research Corp.») или Карбопак (фирма «Супелко», «Supelco, Inc.»). Для их элюирования используется обычно толуол. Техника концентрирования разработана достаточно полно [895]. Из подготовительных стадий очистка экстрактов является пока наиболее трудоемким процессом. Среди усовершенствований необходимо отметить методики, совмещающие, например, экстракцию диоксинов с очисткой экстрактов [771,881,943,955,957]. На конференции «Диоксин-90″ [71] было дано несколько сообщений по автоматизации очистки экстрактов. Так, в работе [963] описана полностью автоматизированная система для очистки экстрактов на основе жидкостной хроматографии, состоящая из колонок с активированным углем и позволяющая одновременно очищать до 10 экстрактов, содержащих смеси ПХДД и ПХДФ. Предложена система автоматической очистки экстрактов, получаемых из различных образцов, связанных с работой целлюлозно-бумажной промышленности. Система очистки образцов, содержащих ПХДД и ПХДФ, включает жидкостную хроматографию на колонках с силикагелем, оксидом алюминия и активированным углем и управляется компьютером [973]. Предложена аппаратура для автоматизированной очистки образцов плазмы крови и жировых тканей, содержащих ПХДД, ПХДФ и ПХБ. По сравнению с ручным способом автоматизация сокращает время очистных операций с 20 до 4 ч [974]. Аналогичные системы описывались и на конференции «Диоксин-91″ [72].

При общности методик подготовки проб различной природы к определению диоксинов у них есть и определенные отличия [206].

VI.2.1.Воздух

Подход к отбору проб газовых сред претерпел определенную эволюцию. Первоначально атмосферную пыль с низкой концентрацией диоксинов собирали в больших количествах (сотни миллиграммов образца) с использованием специальных сосудов для пассивного сбора пыли (в сроки в среднем порядка 30 дн). Делались попытки применять для этих целей электростатические осадители (их недостатки — плохая воспроизводимость результатов, зависимость от атмосферной влаги, необходимость в специальном размещении и уходе). По окончании сбора образца сначала отделяли фильтрованием атмосферную влагу, собирающуюся попутно, и анализировали ее по правилам анализа воды. Осадок высушивали в течение 24 ч, после чего диоксины и сопутствующие вещества экстрагировали смесью гексан-ацетон (4:1) [206].

Определились требования к устройствам, используемым для отбора проб воздуха. Они должны обеспечивать поглощение диоксинов в разном агрегатном состоянии без изменения свойств последних, а также быть пригодными для проведения массовых анализов. Пробы воздуха собирают в высокообъемные пробоотборники последовательным пропусканием через фильтры для отбора аэрозолей (из стекловолокна [229,892,909,915,918], кварцевой ваты [730,924] или стекла [921]) и через патроны с адсорбентами для поглощения газообразных органических веществ (смолу ХАД-2 [909,910,918,921], пенополиуретан [229,892,916,920,921,924], силикагель [915], этиленгликоль [730]). Прокачка избранного объема осуществляется под вакуумом. Скорость прокачки 0,25-0,50 м3 в мин, объем проб 350-2000 м3.

Применение адсорбентов требует их очистки от примесей, мешающих определению диоксинов. Пенополиуретан очищают промывкой горячей водой и ацетоном в аппарате Сокслета в течение 12 ч. Смолу ХАД-2 очищают последовательно промывкой метанолом, ацетоном, толуолом и н-гексаном, после чего — в аппарате Сокслета в течение 24 ч смесью н-гексан-ацетон (3:1). Смолу ХАД-2 хранят в стеклянных бутылях под н-гексаном [909,924].

Аэрозольные частички, собранные на фильтре, и содержимое поглотительных патронов, в том числе пробы летучей золы МСП, экстрагируют в аппарате Сокслета обычно толуолом в течение 12-48 ч [892,915,916,918]. Иногда применяют бензол, хлористый метилен, петролейный эфир или смесь гексан-ацетон. Степень извлечения возрастает, а время экстракции снижается при ультразвуковой обработке проб во время экстракции. Экстракты проб атмосферного воздуха очищают сравнительно просто — последовательной обработкой кислотой и щелочью [921] или с использованием различного рода колонок (на колонке с оксидом алюминия, с силикагелем, с силикагелем и оксидом алюминия). Окончательную очистку осуществляют на многослойных колонках — с силикагелем и активированным углем, оксидом алюминия и активированным углем, силикагелем, оксидом алюминия и активированным углем и т.д. [892,915,916,918]. Экстракты дымовых газов очищают на колонках с силикагелем, модифицированным гидроксидом натрия и нитратом серебра, и оксидом алюминия, а также высокоэффективной жидкостной хроматографией [907,923].

Особая тщательность необходима при отборе газов, выбрасываемых промышленными предприятиями и МСП, поскольку определения ПХДД и ПХДФ в этих пробах с большой вероятностью могут приводить к ошибочным результатам [907,914,923]. Для достижения воспроизводимых и достоверных результатов необходимо, чтобы температура в месте отбора пробы не превышала 200°С [913]. В случае если температура в месте сбора пылевидных частиц превышает 200°С, а в месте отбора газа превышает 500°С, предусматривается водяное охлаждение в процессе концентрирования пробы [913]. Оказалось также, что пенополиуретан может взаимодействовать с содержимым нагретых газовых выбросов и потому нe является подходящим сорбентом для отбора этих проб. Для этого рекомендуют использовать фильтры из стекловолокна, а в качестве адсорбентов силикагель и смолу ХАД-2 [914].

VI.2.2.Вода

Как правило, содержание диоксинов в воде ниже предела их обнаружения, однако их находят в донных отложениях, иле и тонкодисперсных частицах. Поскольку диоксины содержатся в воде в основном в сорбированном состоянии на коллоидах и частичках почвы и в меньшей степени в истинном растворе, их подвижность определяется подвижностью частиц-курьеров.

Для извлечения диоксинов из образцов воды первоначально использовали непосредственную экстракцию различными смесями растворителей — насыщенных углеводородов, гексан-ацетон (4:1), а также гексан-хлористый метилен [206]. Более эффективным концентрирование диоксинов оказывается при пропускании анализируемых образцов последовательно через фильтры из стекловолокна для улавливания твердых частиц [933] и через патроны с сорбирующим материалом (смолой ХАД-2, фазой С18 [925,933,982]). Степень извлечения диоксинов из твердых частиц возрастает, если пробу перед концентрированием обрабатывают ультразвуком [927]. Обогащенные диоксинами пробы экстрагируют в аппарате Сокслета подходящими растворителями, например смесями ацетона с каким-либо растворителем [925,982]. Используют также толуол, бензол, хлористый метилен. Объемы отбираемых проб речной и питьевой воды 10-200 л, морской воды — 2-4 л. Скорость прохождения через патроны порядка 0,5 л в мин.

При очистке органических экстрактов вод наиболее часто используется хроматографическая фильтрация через колонку с оксидом алюминия, в том числе под малым давлением. Стандартными методиками очистки стали хроматография с использованием колонки с многослойным заполнением [903] или колонки с флорисилом и активированным углем [925].

Экстракты природных вод подвергают очистке последовательно щелочью и кислотой, а затем на колонках с силикагелем, оксидом алюминия, активированным углем и целитом 545 [928] или колонках с силикагелем, модифицированным щелочью и кислотой, и карбопаком С [933]. Экстракты очищенных сточных вод пропускают через колонки с силикагелем, модифицированным серной кислотой, и с оксидом алюминия [927]. Предложена также их последовательная обработка гидроксидом калия и серной кислотой и очистка на колонках с силикагелем, модифицированным щелочью и кислотой, оксидом алюминия и активированным углем на целите [928].

VI.2.3. Почва и донные отложения

Работа с образцами почв и донных отложений сложнее, чем с образцами воздуха и воды.

Пробы почв отбирают из поверхностного слоя на глубину нескольких сантиметров (иногда до 30 см) с помощью трубчатого пробоотборника [908]. Высушивание проб до постоянной массы осуществляют на воздухе, в сушильном шкафу при 60-110oС, смешением с безводным сульфатом натрия [881,903,979] или лиофилизацией [904], после чего их просеивают для удаления посторонних предметов [190,290,898,899]. Пробы хранят по возможности при охлаждении с необходимыми предосторожностями [756,899].

Первоначально экстракцию диоксинов из почв проводили хлористым метиленом без предварительной обработки. В дальнейшем были введены дополнительные стадии — обработка серной кислотой и хроматографическая фильтрация на колонке с оксидом алюминия, а затем и дополнительная фильтрация на колонке с флорисилом. Применялась также очистка ацетонитрилом [206].

В настоящее время для экстракции диоксинов из проб почв после их предварительной обработки используют различные органические растворители (толуол, бензол, хлористый метилен) или их смеси (ацетон с хлористым метиленом, бензолом или гексаном) [290,898,899,903]. Наиболее эффективна смесь гексан-ацетон (4:1). Экстракцию осуществляют длительное время (до 3 суток) в аппарате Сокслета или механически. Иногда применяют последовательную экстракцию несколькими растворителями, например смесью хлористого метилена с циклогексаном, после чего гексаном и ДМСО [905]. Для очистки экстрактов используют колонки c силикагелем, модифицированным кислотой и щелочью, и флорисилом, а также колонки с многослойным заполнением [899,905,921].

Методики работы с донными отложениями сходны с методиками, применяемыми при анализе почв. Обычно донные отложения, ил и тонкодисперсные частички предварительно обрабатывают кислотой или щелочью для разрушения минеральных составляющих и сопутствующих органических веществ. Альтернативный путь — осушение образца с последующим экстрагированием диоксинов из твердых субстратов [206]. Для очистки экстрактов донных отложений использованы колонки с активированным углем [290]. Особенно эффективны колонка с оксидом алюминия и силикагелем, модифицированным нитратом серебра, а также колонки с многослойным заполнением [898,902,904].

VI.2.4. Поверхности

Для отбора проб, содержащих диоксин I и родственные соединения, с гладких, твердых и несорбирующих поверхностей (глина, стекло, кафель, пластмасса, лаковые покрытия из металла и дерева и др.) используются ватные тампоны, смоченные смесью гексан-ацетон (4:1). Для установления степени зараженности зданий берется мазок с их стен, полов и окон (обычно с площади 0,5×0,5 м2). Внешние поверхности зданий обследуются соcкабливанием внешнего слоя co стены (1-2 мм) с квадратной поверхности 0,1-0,25 м2.

Диоксины экстрагируются из ватных тампонов и соскобов смесью гексан-ацетон (4:1). Очистка экстракта включает кислотную обработку с использованием многослойной колонки и хроматографическую фильтрацию на оксиде алюминия. Иногда для промежуточной очистки применяют и колонку с флорисилом.

VI.2.5. Биологические образцы. Пищевые продукты

При определении диоксинов в организме представителей фауны получают не только данные об их содержании, но и находят корреляции с уровнями их содержания в окружающей среде (биоконцентрирование).

Биологические образцы и пищевые продукты требуют особой тщательности при хранении. После отбора образцы замораживаются и сохраняются в этом состоянии до анализа по возможности при очень низкой температуре (вплоть до -180°С) в алюминиевой фольге [756,934,936,942,945,947,950,953,958]. Стеклянная посуда для отбора пищевых продуктов выдерживается предварительно при 450° не менее 6 ч [940].

Подготовка биологических образцов и пищевых продуктов включает гидролиз (щелочной [756,934,935,937,947,978], кислотный [883,902,945,978], энзиматический [939]) и последующую гомогенизацию с одновременным осушением с помощью безводного сульфата натрия [881,936,942,943,946,951,954,956,978]. Экстракцию ПХДД и ПХДФ осуществляют главным образом с помощью гексана или других органических растворителей и их смесей (ткани рыб [756,881,898,902,903,904,934-938,944,945,954,978,979], жировые ткани [881,942,943,947,949,955, 956,958], ткани человека [948], плазма крови [953,955], молоко [883,939,951,957]). Из жиросодержащих продуктов (молокo, рыбa и т.д.) вначале экстрагируют жир, из которого затем извлекают сами ПХДД и ПХДФ [950].

Общая схема извлечения диоксинов из пищевых продуктов [984] предусматривает варьирование операций в зависимости от задачи и от содержания в них жировых веществ. Пищевые продукты, не содержащие жира, экстрагируют органическими растворителями. Жиросодержащие продукты подвергают предварительной обработке. При определении только лишь ПХДД образец перед экстракцией обрабатывают раствором гидроксида калия, а при определении суммы ПХДД и ПХДФ — серной кислотой. Масса анализируемого образца также зависит от количества жира (5 г при содержании жира более 70%, 10 г при содержании от 25 до 70 % и 20 г при содержании менее 20 %).

Очистку экстрактов производят с помощью фильтрации через многослойные хроматографические колонки или через колонку типа экстрелют. Имеются многочисленные сообщения о методиках очистки экстрактов тканей рыб [756,898,902,935-938,940,944,945,954], тканей человека [948], плазмы крови человека [955], жировых тканей [716,942,947,949,958], коровьего [950] и женского молока [951] и т.д.

При анализе растительности предполагалось, что диоксин I оседает на поверхности образца и находится там в подвижной форме. Поэтому в 70-х годах диоксин просто экстрагировали из травы без предварительной обработки и последующей очистки. Позднее выяснилось, что диоксины могут попадать в растения и из почвы и что их уровни в растениях могут быть сравнимыми или больше уровней в окружающей среде. Поскольку их связь с внутренними тканями растений прочнее, чем с поверхностями после осаждения из атмосферы, образцы стали подвергать щелочной обработке с последующим экстрагированием. Для очистки I стали использовать по крайней мере три стадии — фильтрование через многослойную колонку, через колонку с флорисилом (силикатом магния) и, наконец, через колонку с оксидом алюминия. В некоторых методиках этим стадиям предшествует фильтрация через силикагель, необходимая для удержания высокополярных соединений, а использование техники высокого разрешения повысило избирательность определения.

Разработанные методики позволяют определять диоксин в различных органах растений.