PRACE
Instytutu Szk³a, Ceramiki Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych
Scientific Works of Institute of Glass, Ceramics Refractory and Construction Materials
Nr 4
ISSN 1899-3230
Rok II Warszawa–Opole 2009
MARTA BO¯YM
JOANNA POLUSZYÑSKA IRENA S£AWIÑSKA JOLANTA DWOJAK
Oznaczanie wielopierœcieniowych wêglowodorów aromatycznych w sta³ych próbkach œrodowiskowych
z wykorzystaniem chromatografii gazowej sprzê¿onej ze spektrometri¹
mas GC-MS
Wielopierœcieniowe wêglowodory aromatyczne (WWA) wystêpuj¹ powszech- nie we wszystkich elementach œrodowiska (powietrze, wody, gleby). Do najpowszechniejszych metod oznaczania WWA w próbkach œrodowiskowych nale¿¹ chromatografia gazowa z detektorem jonizacji p³omieniowej i z detek- torem spektrometrii masowej oraz chromatografia cieczowa.
W pracy przedstawiono wyniki badañ zawartoœci wielopierœcieniowych wêglowodorów aromatycznych w sta³ych próbkach œrodowiskowych, wyko- nanych opracowan¹ w laboratorium metod¹ oznaczania WWA z wykorzysta- niem chromatografii gazowej ze spektrometri¹ mas. Wykonano kalibracjê przy pomocy wzorców mieszaniny WWA. Okreœlono granice wykrywalnoœci i oznaczalnoœci dla opracowanej metody oraz porównano dwie metody oznaczania WWA w tych samych próbkach przy u¿yciu chromatografu gazowego z detektorem jonizacji p³omieniowej (FID) oraz chromatografu ga- zowego z detektorem spektrometrii masowej.
1. Wstêp
Wielopierœcieniowe wêglowodory aromatyczne stanowi¹ grupê zwi¹zków orga- nicznych zawieraj¹cych od 2 do 13 pierœcieni benzenowych. Najbardziej szkod- liwym (rakotwórczym) WWA jest benzo(a)piren [4, 7, 8].
Dr in¿., Instytut Szk³a, Ceramiki, Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych w Warszawie, Od- dzia³ In¿ynierii Materia³owej, Procesowej i Œrodowiska w Opolu.
Mgr, Instytut Szk³a, Ceramiki, Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych w Warszawie, Oddzia³ In¿ynierii Materia³owej, Procesowej i Œrodowiska w Opolu.
Mgr, Instytut Szk³a, Ceramiki, Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych w Warszawie, Oddzia³ In¿ynierii Materia³owej, Procesowej i Œrodowiska w Opolu.
Mgr, Instytut Szk³a, Ceramiki, Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych w Warszawie, Oddzia³ In¿ynierii Materia³owej, Procesowej i Œrodowiska w Opolu.
Zwi¹zki te wystêpuj¹ we wszystkich elementach œrodowiska (powietrze, wody, gleby). Znaczne ich iloœci mog¹ znajdowaæ siê w œciekach przemys³owych, zw³aszcza z przemys³u petrochemicznego [1, 7, 9, 11]. Wielopierœcieniowe wê- glowodory aromatyczne dostaj¹ siê do gruntów najczêœciej w wyniku opadu za- nieczyszczonego py³u i s¹ silnie adsorbowane przez cz¹stki gleby [5]. W Polsce zawartoœæ WWA w gruncie reguluje rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska w sprawie standardów jakoœci gleby oraz standardów jakoœci ziemi z dnia 9 wrzeœnia 2002 r. [10]. Rozporz¹dzenie to okreœla, obok sumy WWA, tak¿e normatywy dotycz¹ce poszczególnych zwi¹zków z tej grupy (naftalen, fenan- tren, antracen, fluoranten, chryzen, benzo(a)antracen, benzo(a)piren, ben- zo(a)fluoranten, benzo(ghi)perylen) [10].
Oznaczenie WWA w próbkach wymaga stosowania metod chromatograficz- nych, umo¿liwiaj¹cych rozdzielenie i identyfikacjê pojedynczych zwi¹zków.
Najbardziej selektywn¹ metod¹ identyfikacji WWA jest metoda chromatografii gazowej ze spektometri¹ mas (GC-MS) [3]. Zdolnoœæ rozdzielcza i mo¿liwoœæ identyfikacji zwi¹zków detektora spektometrii mas (MS) jest du¿o wiêksza ni¿
standardowo stosowanego do oznaczeñ WWA detektora p³omieniowo-jonizacyj- nego FID. Detektor masowy ma zdolnoœæ rozdzielania i mierzenia jonów mole- kularnych i fragmentarycznych, okreœlaj¹c stosunek ich masy do ³adunku m/e.
Wynik mo¿na przedstawiæ graficznie jako stosunek wartoœci m/e do stê¿enia jo- nów. Metoda GC-MS jest przydatna do wykrywania i oznaczania wielu zwi¹z- ków organicznych wystêpuj¹cych w próbce w bardzo ma³ych iloœciach, których nie mo¿na oznaczyæ innymi metodami [2]. Ze wzglêdu na wysokie koszty, me- todê tê wykorzystuje siê zwykle do identyfikacji lub potwierdzenia wystêpowa- nia danego zwi¹zku w próbce
2. Materia³ i metody badañ
Do badania zawartoœci wielopierœcieniowych wêglowodorów aromatycznych wybrano dwie metody chromatograficzne, metodê chromatografii gazowej (GC) z detektorem FID oraz metodê GC z detektorem MS. Próbki do badañ sporz¹dzono poprzez wzbogacenie próbek gleby oznaczanymi WWA.
Zakres pracy obejmowa³:
• wybór kolumny chromatograficznej oraz opracowanie programu temperaturo- wego chromatografu,
• okreœlenie zakresu analitycznego, w tym sporz¹dzenie krzywych kalibracyj- nych,
• porównanie wyników odzysku dla próbek wzbogacanych WWA wykonanych metod¹ chromatografii gazowej z detektorem – FID i MS.
2.1. Warunki pracy chromatografu
Do analiz wykorzystano kolumnê kapilarn¹ o d³ugoœci 60 m, przekroju 0,25 mm i gruboœci fazy stacjonarnej 0,25 ìm.
W celu identyfikacji WWA zastosowano program temperaturowy, opracowany wczeœniej dla metody oznaczania WWA w wodzie metod¹ GC-MS.
Opracowana metoda charakteryzuje siê nastêpuj¹cymi parametrami (ryc. 1):
– temperatura dozownika – 300°C, – temperatura interfejsu – 300°C,
– program temperaturowy pieca: 80°C przez 8 min, narost 10°C/min – 270°C przez 12 min, narost 2°C/min – 300°C przez 12 min,
– przep³yw helu przez kolumnê – 1 cm /min, – pr¹d detektora MS od 1,2 do 1,4 kV.
2.2. Zakres analityczny
Roztwory kalibracyjne sporz¹dzono z certyfikowanego wzorca PAH mixture CC-3187, zawieraj¹cego mieszaninê WWA, o stê¿eniu ka¿dego wêglowodoru – 500 ìg/cm. Badana mieszanina zawiera³a: naftalen, fenantren, antracen, fluo- ranten, chryzen, benzo(a)antracen, benzo(a)piren, benzo(b)fluoranten, ben- zo(ghi)perylen.
Ryc. 1. Program temperaturowy oraz parametry analizy WWA w glebie metod¹ GC-MS
Przygotowano 5 roztworów kalibracyjnych o stê¿eniach: 1 ìg/cm, 5 ìg/cm, 10 ìg/cm, 15 ìg/cm, 20 ìg/cm dla ka¿dego WWA.
Na podstawie chromatogramów sporz¹dzono krzywe kalibracyjne w zakresie 1–20 mg/cm dla ka¿dego WWA. Przyk³adowy chromatogram oraz przebieg krzywej kalibracyjnej dla antracenu przedstawiaj¹ ryciny 2 i 3.
Ryc. 2. Chromatogram WWA z widmem masowym antracenu dla stê¿eñ 1, 5, 10, 15, 20 ìg/cm
Ryc. 3. Przebieg krzywej kalibracyjnej dla antracenu w zakresie 1–20 ìg/cm dla metody GC-MS
! "#$$%& ' ()**+$
,! *+((-)
*
%*****
.*****
$*****
"*****
#*****
)*****
-*****
/*****
(*****
%******
* # %* %# .* .#
01234
polepowierzchnipiku
Okreœlono granicê wykrywalnoœci, przez któr¹ rozumie siê najmniejsz¹ zawar- toœæ oznaczanego analitu, jak¹ mo¿na wykryæ za pomoc¹ danego urz¹dzenia po- miarowego.
W celu wyznaczenia granicy wykrywalnoœci metody wykonano wiele wzorców o stê¿eniach ni¿szych od stê¿eñ krzywej kalibracyjnej: 0,1 ìg/cm , 0,3 ìg/cm, 0,5 ìg/cm , 0,8 ìg/cm.
Wykryto WWA dla wszystkich powy¿szych stê¿eñ wzorców, lecz wyznaczona z nich krzywa kalibracyjna nie wykazywa³a charakteru liniowego, dlatego te¿
poziomy te nie mog¹ stanowiæ wartoœci odniesienia do obliczeñ iloœciowych.
Najmniejsz¹ wartoœci¹ analitu, jaka zosta³a wykryta metod¹ GC-MS, by³o stê-
¿enie 0,1 ìg/cm (ryc. 4). Uzyskany wynik przeliczono na masê gleby u¿ytej do ekstrakcji. W ten sposób zosta³a okreœlona granica wykrywalnoœci dla metody, która wynosi 0,002 ìg/g (mg/kg) suchej masy. Na rycinie 4 przedstawiono chromatogram mieszaniny WWA o najmniejszym stê¿eniu, które uda³o siê wy- kryæ przy u¿yciu metody GC-MS.
2.3. Ekstrakcja WWA z próbek gleby
Ekstrakcjê wêglowodorów przeprowadzono zgodnie z opracowan¹ w 2005 r.
w Laboratorium Badañ Œrodowiska Oddzia³u In¿ynierii Materia³owej, Proceso- wej i Œrodowiska w Opolu metod¹ izolacji WWA z gleby przy u¿yciu mieszani- ny rozpuszczalników heksan : aceton (4 : 1, v/v) [6].
Ryc. 4. Chromatogram mieszaniny wzorcowej o stê¿eniu 0,1 ìg/cm dla metody GC-MS
Odwa¿on¹ próbkê gleby wysuszon¹ w temperaturze pokojowej i przesian¹ prze- niesiono do gilzy ekstrakcyjnej oraz umieszczono w aparacie Soxhleta. Ekstra- kcjê próbki, mieszanin¹ rozpuszczalników heksan:aceton (4 : 1, v/v), prowa- dzono przez 8 h. Po tym czasie ekstrakt sch³odzono, a nastêpnie przeniesiono iloœciowo do naczyñ ZYMARC i zatê¿ono w atmosferze azotu w aparacie T-Vap. Zatê¿ony ekstrakt przeniesiono do wialek szklanych i ponownie zatê¿o- no do objêtoœci ok. 1 cm. Tak przygotowany ekstrakt poddano analizie chro- matograficznej.
2.4. Okreœlenie stopni odzysku dla próbek wzbogacanych
Próbki gleby wzbogacono wzorcem w iloœci 20 ìg ka¿dego z WWA. Nastêpnie przeprowadzono ekstrakcjê zgodnie z procedur¹ opisan¹ w punkcie 2.3. Ekstra- kty poddano analizie metod¹ chromatografii gazowej z wykorzystaniem dwóch detektorów: spektrometrii mas oraz p³omieniowo-jonizacyjnym.
Na podstawie analiz chromatograficznych obliczono stopnie odzysku dla obu detektorów. Na rycinach 5 i 6 przedstawiono dwa chromatogramy mieszaniny wzorcowej o stê¿eniu 20 ìg/cm wykonane metod¹ chromatografii gazowej de- tektorów MS i FID.
Ryc. 5. Chromatogram mieszaniny wzorcowej o stê¿eniu 20 ìg/cm dla metody GC-MS
Wyniki badania odzysku WWA z próbek gleby dla dwóch detektorów przedsta- wia tabela 1.
T a b e l a 1 Stopnie odzysku dla poszczególnych poziomów stê¿eñ
przy wykorzystaniu ekstrakcji na ciep³o
Wêglowodór
Stopnie odzysku dla metody GC-MS
[%]
Stopnie odzysku dla metody GC-FID
[%]
Naftalen 100 74
Fenantren 98 84
Antracen 99 82
Fluoranten 86 87
Benzo(a)antracen 71 101
Chryzen 70 94
Benzo(b)fluoranten 65 –
Benzo(a)piren 66 90
Benzo(ghi)perylen 66 112
Brak mo¿liwoœci odczytania wyniku dla benzo(b)fluorantenem metod¹ GC-FID spowodowany by³ na³o¿eniem siê pików benzo(b)fluorantenu i benzo(k)fluorantenu.
Ryc. 6. Chromatogram mieszaniny wzorcowej o stê¿eniu 20 ìg/cm!dla metody GC-FID
3. Omówienie wyników
Dla metody GC-MS wartoœci odzysku kszta³towa³y siê na poziomie od 65 do 100%. Niskie stopnie odzysku (poni¿ej 70%) zaobserwowano dla zwi¹zków o wy¿szej liczbie atomowej:
– benzo(b)fluoranten – 65%, – benzo(a)piren – 66%, – benzo(ghi)perylen – 66%.
Poza wymienionymi wy¿ej zwi¹zkami, wartoœci odzysku uzyskane dla metody GC-MS zawieraj¹ siê w dolnym zakresie, ogólnie przyjêtym dla chromatografii ga- zowej (70–120%). Dla metody GC-FID wartoœci odzysku kszta³towa³y siê na po- ziomie od 74 do 112%. W metodzie tej otrzymano wy¿sze wartoœci odzysku dla wêglowodorów o wy¿szej liczbie masowej. Odwrotnie ni¿ w metodzie GC-MS.
Nieco gorsze wyniki przy u¿yciu metody GC-MS w porównaniu z GC-FID mog³y byæ pochodn¹ problemów z detektorem MS, które wyst¹pi³y podczas ba- dañ. Mo¿na jednak przyj¹æ je jako satysfakcjonuj¹ce. Identyfikacja niektórych zwi¹zków metod¹ GC-FID nastrêcza wiele problemów. Ze wzglêdu na zbli¿one czasy retencji dla benzo(b)fluorantenu i benzo(k)fluorantenu obserwujemy czê- sto nak³adanie siê pików, co uniemo¿liwia ich integracjê, a co za tym idzie jed- noznaczn¹ identyfikacjê w próbce.
Metoda GC-MS w przypadku oznaczania WWA w glebie okaza³a siê bardziej selektywna. Œwiadczy to o tym, ¿e za jej pomoc¹ mo¿na jednoznacznie stwier- dziæ istnienie danego zwi¹zku w badanej próbce. Jest wiêc znakomit¹ metod¹ do oznaczania jakoœciowego WWA w glebach, które stanowi¹ doœæ trudn¹ matrycê do analizy zwi¹zków organicznych. Ze wzglêdu na nieco gorsze wyniki dla oz- naczania stopni odzysku, lepsz¹ metod¹ do oznaczania iloœciowego WWA oka- za³a siê byæ metoda GC-FID.
4. Wnioski
1. Opracowana metoda identyfikacji WWA przy u¿yciu chromatografu gazowe- go z detektorem MS mo¿e byæ wykorzystana do jakoœciowego oznaczania tych zwi¹zków.
2. Metoda GC-MS mo¿e s³u¿yæ tak¿e jako wstêpna metoda screeningowa do iloœciowego oznaczania WWA w glebach, przy jednoczesnym wykorzystaniu GC-FID.
3. Wyznaczone stopnie odzysku dla metody GC-MS waha³y siê w granicach 65–100%, z tendencj¹ malej¹c¹ dla wêglowodorów o wy¿szej liczbie masowej.
Bardziej zadowalaj¹ce stopnie odzysku osi¹gniêto przy u¿yciu metody GC-FID.
Literatura
[1] D o j l i d o J.R., Chemia wód powierzchniowych, Wyd. Ekonomii Œrodowiska, Warszawa 1995.
[2] D o j l i d o J.R., Z e r b e J., Instrumentalne metody badania wody i œcieków, Arkady, War- szawa 1997.
[3] H e r m a n o w i c z W., D o j l i d o J., D o ¿ a ñ s k a W., K o s i o r o w s k i B., Z e r b e J., Fizyczno-chemiczne badanie wody i œcieków, Arkady, Warszawa 1999.
[4] J e s i o n e k M.L., O d z i m e k J., Z e m e ³ a - K ³ o s A., WWA w powietrzu miejskim, [w:]
Materia³y Konferencji Naukowej, „Mikrozanieczyszczenia w œrodowisku cz³owieka”, Wyd. Po- litechniki Czêstochowskiej, Czêstochowa–Ustroñ 2002, s. 212–215.
[5] P a r k K.S., S i m s R.S., D u p o n t R.R., D o u c e t t e W.J., M a t h e w s J.E., Fate of polycyclic aromatic hydrocarbon compounds in two soil type: Influence of volatilization, abio- tic loss and biological activity, „Environmental Toxicology Chemistry” 1990, Vol. 9, s. 187–195.
[6] P o l u s z y ñ s k a J., S z t a m b e r e k - G o l a I., W r ó b l e w s k a L., Walidacja metod oznaczania wêglowodorów monoaromatycznych (BTX) i wielopierœcieniowych wêglowodo- rów aromatycznych (WWA) w glebie metod¹ chromatografii gazowej z detekcj¹ FID, Prace badawcze IMMB, Opole 2005.
[7] P o p e n d a A., M a l i n a G., Wielopierœcieniowe wêglowodory aromatyczne (WWA) w œro- dowisku gruntowo-wodnym w Polsce w œwietle przepisów Unii Europejskiej, [w:] Materia³y Konferencji Naukowej, „Mikrozanieczyszczenia w œrodowisku w œwietle przepisów UE”, Wyd.
Politechniki Czêstochowskiej, Czêstochowa–Ustroñ 2000, s. 250–257.
[8] P o s s a n z i n i M., D i P a l o V., G i g l i u c c i P., S c i a n o M. ., C e c i n a t o A., De- termination of phase-distributed PAH in Rome ambient air by denuder/GC-MS method, „At- mospheric Environment” 2004, Vol. 38, s. 1727–1734.
[9] R e j m a n W., Zanieczyszczenia œrodowiska gruntowo-wodnego przez WWA, „Gospodarka Wodna” 1999, nr 5, s. 182–184.
[10] Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska w sprawie standardów jakoœci gleby oraz standardów jakoœci ziemi z dnia 9 wrzeœnia 2002 r. Dz.U. 2002 r., nr 165, poz. 1359.
[11] Œ w i e t l i k R., K o w a l c z y k D. Normatywy i metody badañ wielopierœcieniowych wê- glowodorów aromatycznych, „Analityka” 2008, nr 3, s. 36–41.
MARTA BO¯YM
JOANNA POLUSZYÑSKA IRENA S£AWIÑSKA JOLANTA DWOJAK
DETERMINATION OD PAH FROM ENVIRONMENTAL SOLID SAMPLES WITH USE GAS CHROMATOGRAPHY WITH MASS SPECTROMETRY
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are existing in all elements of en- vironment (including air, water and soil). The gas chromatographies with flame ionisation detection (FID) and mass spectrometry (MS) as well as liq- uid chromatography (HPLC) are the most general methods to determinate of PAHs.
In this paper a results of research of PAHs in solid environmental samples were presented. The method used to determination of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), with using GC-MS, in environmental solid samples was the new method studied in Laboratory.
These researches contain calibration of instruments (gas chromatograph with mass spectrometry) with use PAHs mixture standards and determina- tion of limit of detection and limit of quantification of PAHs standards. The two methods of determination of PAHs, GC-MS and GC-FID were compare.
