Введение к работе
Актуальность темы. Химический состав воздуха является важнейшим экологическим фактором. Качество воздуха влияет не только на человека, но и на всех обитателей природной среды. Посредством атмосферных осадков токсиканты из воздушной среды могут поступать в объекты гидросферы и почву. Атмосферное загрязнение агрокультур и, как следствие - продовольствия, имеет большее значение, чем поступление экотоксикантов из воды и почвы. Не меньшую экологическую проблему представляет собой загрязненность воздуха помещений. Содержащиеся в воздухе помещений органические токсиканты приводят к 1.6 млн преждевременных смертей за год в мире и вызывают до 4% всех заболеваний. Многие загрязнения способны проявлять токсичность и другие негативные свойства при их содержании в воздухе в ничтожно малых количествах.
По этой причине Всемирная организация здравоохранения регламентирует предельно допустимые концентрации (ПДК) ароматических углеводородов на уровне 1-10"3 мкг/м3 и менее. Определять содержание токсикантов в воздухе необходимо на меньшем, чем ПДК, уровне концентраций. Это обусловлено следующими причинами:
Во-первых, важно установить динамику изменения экологической обстановки задолго до наступления критической ситуации. Необходимо выявлять источники загрязнения и принимать меры по предотвращению или уменьшению загрязнения и, таким образом, исключить развитие негативного сценария, при котором содержание токсикантов будет приближаться к ПДК.
Во-вторых, в соответствии с беспороговой концепцией ПДК, негативные свойства токсикантов могут проявляться при их содержании ниже ПДК.
В-третьих, в России и за рубежом существует тенденция ужесточения требований к качеству воздуха. В нормативных актах, регламентирующих этот важнейший экологический фактор, расширяются списки загрязнений и снижаются предельно допустимые концентрации токсикантов в атмосфере.
Таким образом, для контроля содержания токсикантов в воздухе необходима разработка новых методов концентрирования и определения примесей.
Цель исследования. Целью настоящей работы являлось исследование возможностей конденсационного концентрирования ароматических углеводородов из воздуха с использованием атмосферной влаги в качестве коллектора примесей и разработка на его основе высокочувствительного хромато-масс-спектрометрического определения ароматических углеводородов в воздухе.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать особенности конденсационного концентрирования ароматических углеводородов из воздуха в молекулярном и аэрозольном состоянии с использованием атмосферной влаги в качестве коллектора примесей;
Разработать методику жидкостно-жидкостной микроэкстракции для концентрирования примесей из водного конденсата;
Увеличить эффективность хроматографического разделения и повысить чувствительность газохроматографического определения примесей с использованием бинарных фаз переменной емкости (БФПЕ);
Исследовать стабильность ароматических углеводородов, содержащихся в водном конденсате и образцах сравнения;
Разработать методики высокочувствительного хромато-масс-спектрометрического определения моно- и полициклических ароматических углеводородов в воздухе с предварительным конденсационным концентрированием и жид-кофазной микроэкстракцией;
Провести анализ атмосферного воздуха и воздуха помещений;
Установить и оценить источники неопределенности результатов анализа.
Научная новизна работы. Впервые разработан метод конденсационного концентрирования ароматических углеводородов из воздуха, основанный на использовании атмосферной влаги в качестве коллектора примесей. Установлены условия эффективного конденсационного извлечения примесей. Для увеличения чувствительности определения ароматических углеводородов в воздухе применено жидкофазное микроэкстракционное концентрирование примесей из водного конденсата. Достигнутые интегральные коэффициенты концентрирования ароматических углеводородов из воздуха в экстракт составили 2.1-Ю4—1.4-105.
Впервые в отечественной практике с применением хромато-масс-спектрометрии и конденсационного концентрирования примесей достигнуты пределы обнаружения ароматических углеводородов (1-5)-10-5 мкг/м3.
Научно-практическая значимость. Показано, что использование атмосферной влаги в качестве коллектора примесей позволяет решить проблемы определения токсикантов в воздухе, связанные с «памятью» сорбента. Благодаря сочетанию конденсационного концентрирования примесей из воздуха и жидкофазной микроэкстракции, удалось увеличить долю пробы, поступающей в прибор (в пересчете на отобранный воздух), по сравнению с пробоподготовкой, основанной на твердофазном концентрировании. Это позволило при объеме отбираемого воздуха 0.25-0.5 м3 достигнуть пределов обнаружения ароматических углеводородов (1-5)-10~5 мкг/м3.
Разработанная методика жидкофазного микроэкстракционного концентрирования примесей из водного конденсата позволила на два-три порядка сократить объем используемого экстрагента, что решает проблему утилизации высокотоксичных растворителей.
Разработанные методики применены для анализа реальных образцов атмосферного воздуха и воздуха помещений.
Совокупность результатов исследований представляет собой решение актуальной научно-практической задачи - разработку высокочувствительных методик хро-мато-масс-спектрометрического анализа воздуха, позволяющих проводить определение ароматических углеводородов в атмосфере при их содержании, существенно меньшем ПДК.
Работа проведена в рамках гранта РФФИ 08-03-97047-р_поволжье_а «Разработка конденсационного концентрирования для чувствительного и быстрого определения токсикантов в воздухе методами иммуноанализа и хромато-масс-спектрометрии» и договора № 81-У с ООО «Иннотех» по проекту № 13080 «Разработка криогенного конденсационно-экстракционного метода концентрирования токсикантов из воздуха для их газохроматографического определения».
На защиту выносятся следующие положения:
Эффективное конденсационное концентрирование ароматических углеводородов из воздуха с использованием атмосферной влаги в качестве коллектора примесей.
Методика жидкофазного микроэкстракционного концентрирования примесей из водного конденсата.
Использование бинарных фаз переменной емкости для увеличения эффективности хроматографической колонки и чувствительности определения примесей.
Результаты исследования стабильности ароматических углеводородов в водном конденсате и образцах сравнения.
Методики определения ароматических углеводородов в воздухе с предварительным конденсационным и микроэкстракционным концентрированием, обеспечивающие снижение пределов обнаружения примесей до (1-5)'10~5 мкг/м3.
Результаты качественного и количественного анализа атмосферного воздуха и воздуха помещений.
Оценка неопределенности результатов определения примесей в воздухе.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XX межвузовской конференции «Актуальные проблемы естествознания» (Н.Новгород, 2008), Тринадцатой конференции молодых ученых-химиков г. Нижнего Новгорода (Н.Новгород, 2010), XV Нижегородской сессии молодых ученых, естественнонаучные дисциплины (Н.Новгород, 2010), III Всероссийской конференции с международным участием «Аналитика России» (Краснодар, 2009), Всероссийской конференции «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» (Краснодар, 2010), Всероссийском конкурсе инновационных проектов и идей научной молодежи (Москва, 2011). По теме диссертации опубликовано 16 работ, в т.ч. 8 статей, из них два аналитических обзора, в рецензируемых научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков, 19 таблиц и библиографию из 129 наименований.
Личный вклад автора. Автор участвовал в постановке цели и задач исследования, планировании и проведении экспериментальных работ по изучению конденсационного концентрирования примесей из воздуха, разработке методик высокочувствительного хромато-масс-спектрометрического определения токсикантов в воздухе и исследовании примесного состава атмосферного воздуха и воздуха помещений.
