Chemia środków ochrony roślin Katedra Analizy Środowiska. Instrukcja do ćwiczeń. Ćwiczenie 5

Transkrypt

1 UNIWERSYTET GDAŃSKI WYDZIAŁ CHEMII Chemia środków ochrony roślin Katedra Analizy Środowiska Instrukcja do ćwiczeń Ćwiczenie 5 Ekstrakcja mieszaniny herbicydów o charakterze kwaśnym z gleby Gdańsk 2015

2 1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA Środki ochrony roślin, zwane także pestycydami, to substancje oraz mieszaniny przeznaczone do ochrony roślin uprawnych przed grzybami (fungicydy), owadami (insektycydy) oraz chwastami (herbicydy). Ich stosowanie przynosi wiele korzyści, m. in. zwiększa plony upraw rolniczych poprzez ograniczenie chorób roślin, niszczenie patogenów czy chwastów, a także zmniejsza straty żywności podczas magazynowania i transportu. Niemniej jednak, pestycydy uważane są za jedne z najbardziej toksycznych substancji zanieczyszczających układ przyrodniczy. Jednocześnie, niektóre ze związków używanych jako pestycydy stanowią zagrożenie dla zdrowia człowieka, ze względu na obserwowane efekty toksyczne zarówno przy narażeniu jednorazowym, jak i przewlekłym. Niektóre z pestycydów wykazują wysoką trwałość, zdolność do bioakumulacji, czy też mobilność w środowisku naturalnym człowieka. Pestycydy docierają do roślin w wyniku bezpośredniego oprysku części nadziemnych oraz przez system korzeniowy, mogą być również używane w celu zapobiegania stratom podczas magazynowania i transportu żywności. Kumulacja szkodliwych pozostałości po tych zabiegach zależy od gatunku rośliny, rodzaju pestycydu, wielkości dawki oraz sposobu aplikacji. Największe ryzyko związane jest z występowaniem pozostałości środków ochrony roślin w produktach przeznaczonych do spożycia. Stanowią one łatwe źródło narażenia ludzi na zatrucia. Główną drogą przenikania pestycydów do organizmu człowieka jest przewód pokarmowy. Dostarczone jednorazowo dawki tych środków nie są na ogół szkodliwe, jednak nawet niewielka ich ilość przyjmowana wielokrotnie może prowadzić do efektów toksycznych w dłuższym okresie czasu. Dlatego też jednym z priorytetowych zadań współczesnej chemii analitycznej stał się monitoring stężeń pozostałości pestycydów w żywności. Dużą uwagę poświęca się owocom i warzywom ze względu na duże coroczne spożycie tych produktów. Właściwe urzędy, jak również producenci żywności są zobowiązani do kontrolowania poziomu pozostałości pestycydów w owocach i warzywach, w celu określenia, czy obserwowane stężenia nie są wyższe, niż pozwala na to obowiązujące prawo. Utrudnieniem podczas analizy pozostałości pestycydów w produktach przeznaczonych do konsumpcji jest skomplikowany skład badanej próbki, która zawiera znaczną ilość interferentów, takich jak kwasy tłuszczowe, sterole czy barwniki. Dodatkowo, znacznym utrudnieniem w analizie są zwykle niskie stężenia oznaczanych substancji w materiale badawczym. Dlatego też niezwykle ważnym etapem całej procedury analitycznej jest etap izolacji i wzbogacania pestycydów z odpowiednio przygotowanej próbki. Powszechnie stosowanymi technikami ekstrakcji są: Ekstrakcja z użyciem rozpuszczalnika (LLE, Liquid-Liquid Extraction) anality są izolowane za pomocą odpowiedniego rozpuszczalnika, którego dobór uzależniony jest od stopnia polarności pestycydów, są to: aceton, acetonitryl, octan etylu, dichlorometan, heksan, eter naftowy i inne. Wadami tej metody jest zużycie dużych ilości rozpuszczalników, możliwość powstawania emulsji oraz długi czas izolacji 2

3 Ekstrakcja do fazy stałej (SPE, Solid Phase Extraction) anality z próbki ciekłej adsorbowane są na odpowiednio przygotowanym złożu umieszczonym w kolumience ekstrakcyjnej. Zatrzymane związki wymywa się niewielką ilością mieszaniny rozpuszczalników. Najczęściej stosowanymi adsorbentami są florisil, tlenek glinu, żel krzemionkowy oraz żel krzemionkowy modyfikowany grupami oktadecylowymi. Metoda ta zaliczana jest do prostych i szybkich, łączy w sobie proces ekstrakcji, oczyszczania oraz wzbogacania analitów Mikroekstrakcja do fazy stałej (SPME, Solid Phase Microextraction) anality znajdujące się w ciekłej próbce lub nad próbką w gazowej fazie nadpowierzchniowej są adsorbowane na włóknie z sorbentem umieszczonym w igle strzykawki. Zaletą tej techniki jest szybkość oraz brak konieczności stosowania rozpuszczalników. W ostatnich latach jedną z najczęściej wybieranych technik ekstrakcji pozostałości pestycydów z żywności jest metoda QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe). Polega ona na ekstrakcji i podziale w układzie ciecz ciecz składników próbki z użyciem acetonitrylu, a następnie oczyszczeniu ekstraktu z wykorzystaniem metody dyspersyjnej ekstrakcji do fazy stałej (SPE). Głównymi etapami techniki QuEChERS są: Ekstrakcja pestycydów z próbki stałej niewielką ilością acetonitrylu poprzez wytrząsanie Dodatek ok. 1 g NaCl i 4 g MgSO4 w celu oddzielenia warstw wody i acetonitrylu Oczyszczenie wydzielonej objętości ekstraktu metodą dyspersyjnej SPE (opcjonalnie, jeśli matryca tego wymaga) Dodatek 5 % roztworu kwasu mrówkowego w acetonitrylu w celu osiągnięcia wartości ph ok. 5 Oznaczanie wyizolowanych z próbki pestycydów techniką LC lub GC Istnieją także modyfikacje tej metody, dostosowane do specyfiki konkretnych matryc (np. o wysokiej zawartości tłuszczu) lub analitów. Jest to m. in. dodatek odpowiednich sorbentów skutecznie eliminujących lipidy, lub kwasu octowego, który ułatwia ekstrakcję polarnych pestycydów fosforoorganicznych. Technika QuEChERS charakteryzuje się niewielkim zużyciem próbek i odczynników, prostotą wykonania, niewielkimi kosztami analiz, dobrymi efektami w usuwaniu interferentów i zadowalającymi odzyskami analizowanych związków. Stosunkowo gorsze rezultaty uzyskuje się przy ekstrakcji wielu związków o bardzo zróżnicowanych właściwościach fizykochemicznych. W niniejszym ćwiczeniu ekstrakcji QuEChERS (w dwóch różnych wariantach) poddane zostaną próbki żywności zanieczyszczone herbicydami o charakterze syntetycznych hormonów roślinnych (auksyn). Herbicydy te występują w handlu pod postacią wolnych związków (umiarkowanie rozpuszczalnych w wodzie, o średniej lipofilowości), soli (rozpuszczalnych w wodzie, hydrofilowych) oraz estrów (bardzo słabo rozpuszczalnych w wodzie, stosunkowo najbardziej lipofilowych). Różne właściwości fizykochemiczne (lipofilowość i rozpuszczalność w wodzie) form omawianych herbicydów sprawiają, że standardowe procedury izolacji tych związków 3

4 z próbek środowiskowych i próbek żywności często nie wykazują wymaganej skuteczności, i są mniej wiarygodne i powtarzalne, niż w przypadku analizy pestycydów należących do innych grup. 2. WYKONANIE ĆWICZENIA 2.1 Cel ćwiczenia Celem niniejszego ćwiczenia jest wykorzystanie techniki QuEChERS do izolacji mieszaniny herbicydów o charakterze kwaśnym z próbki żywności oraz ich analiza przy użyciu techniki GC-FID. Porównana zostanie przydatność modyfikacji wyjściowej procedury QuEChERS w analizie pestycydów o charakterze słabych kwasów organicznych, pod postacią związków wolnych oraz estrów metylowych. 2.2 Wykonanie ćwiczenia 1. Procedura ekstrakcji przedstawiona jest na Rysunku 1. Rysunek 1. Schemat procedury ekstrakcji herbicydów z próbki żywności. 4

5 Próbki należy poddać sililowaniu: do wysuszonej próbki dodać 100 μl BSTFA+TMCS (99:1) i ogrzewać w bloczku grzejnym w temperaturze 90 C przez 15 minut. Następnie, próbki analizować według wskazań prowadzącego zgodnie z następującymi warunkami: chromatograf gazowy SCHIMADZU z detektorem FID kolumna DB-5 (Zebron) o długości 30 m, średnicy wewnętrznej 0,25 mm oraz grubości warstwy filmu fazy stacjonarnej 0,25 μm gaz nośny argon ze stałym przepływem 1,5 ml min -1 temperatura dozownika 310 C, dzielnik przepływu (spliter) 1:25 temperatura detektora FID 310 C temperatura kolumny: 100 C-310 C z narostem temperatury 6 C min Dodatkowo przygotować próbę ślepą niezawierającą badanej żywności. Postępować zgodnie z procedurą przedstawioną na Rysunku OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Na podstawie powierzchni sygnałów chromatograficznych pestycydów oraz wzorca, należy obliczyć zawartość poszczególnych związków w próbkach, wyrażoną w mg/g mokrej masy. 2. Bazując na tych wynikach, należy obliczyć zawartość poszczególnych związków w całkowitej masie pestycydów (w %). 4. SZKŁO I ODCZYNNIKI Próbki żywności zanieczyszczone mieszaniną pestycydów Bezwodny siarczan (VI) magnezu (II) Chlorek sodu Cytrynian trisodu uwodniony Acetonitryl BSTFA + TMCS (99:1) Roztwór kwasu mrówkowego w acetonitrylu 5 % Roztwór wzorca wewnętrznego (kwas dichlorofenylooctowy) Probówki polipropylenowe 30 ml 2 szt. Kolba sercowa 50 ml 2 szt. 5

6 Łyżka metalowa Strzykawka szklana 100 µl 2 szt. Strzykawka do GC 10 µl Pipety Pasteura 10 szt. Pipeta szklana 10 ml 1 szt. Butelka szklana 2 ml 3 szt. Aparatura laboratoryjna Chromatograf gazowy SCHIMADZU z detektorem FID Waga analityczna Rotator Wirówka LITERATURA 1. Raczkowski M., Hołodyńska A., Nowacka A., Gnusowski B., Zastosowanie metody QuECHERS do analizy pozostałości pestycydów w pomidorach za pomocą GC- NPD/ECD. Prog. Plant Protection/Post. Ochr. Roślin, 51: , Sadowska-Rociek A., Cieślik E., Stosowane techniki i najnowsze trendy w oznaczaniu pozostałości pestycydów w żywności metodą chromatografii gazowej. Chemia Dydaktyka Ekologia Metrologia, 1-2, 33-38, Snopczyński T., Struciński P., Góralczyk K., Czaja K., Hernik A., Korcz W., Kucharska A., Zastosowanie metody QuEChERS w połączeniu chromatografii gazowej z detektorem wychwytu elektronów (GC-ECD) w analizie pozostałości pestycydów w żywności. Roczn. PZH, 62, , Czeczko R., Zastosowanie metod chromatograficznych do oznaczania pozostałości pestycydów w owocach i warzywach. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 48, ,