Kurs: Analiza i monitoring środowiska Ćwiczenie nr 9: Analiza odorów w powietrzu metodą termicznej desorpcji sprzężonej z chromatografią gazową 1. Substancje złowonne, czyli odory Monitoring powietrza obejmuje zarówno badania składu i stężeń zanieczyszczeń gazowych i pyłowych w powietrzu, jak i ich emisji do powietrza. Do działań prowadzonych w obszarze monitoringu należą też ocena, analiza i prognozowanie jakości powietrza. Szczegółowy zakres pomiarów i ocen jakości powietrza, a także zakres badań uzupełniających określany jest w krajowym i wojewódzkich Programach Państwowego Monitoringu Środowiska 1. Do regularnie monitorowanych zanieczyszczeń powietrza należą tlenki węgla, tlenki siarki, tlenki azotu, aerozole atmosferyczne, a także benzen. Ważną grupą składników powietrza stanowią substancje wywołujące niepożądane zapachy, tzw. substancje złowonne. Dotąd jednak nie ma przepisów i norm dotyczących analizy tych substancji, a ich obecność odczuwana jest w każdym środowisku zarówno naturalnym, jak sztucznym (np. w środowisku pracy biurze, hali produkcyjnej, laboratorium), co dość mocno wpływa na komfort życia człowieka narażonego na długotrwałą ekspozycję na te czynniki. Substancje złowonne, tzw. odory, to związki chemiczne (nieorganiczne lub organiczne), które wywołują nieprzyjemne odczucia węchowe 2. Tego typu substancje powstają w różnych warunkach, zarówno w środowisku naturalnym, jak i w wyniku działalności człowieka, a jako lotne substancje są emitowane do powietrza. To sprawia, że mogą one powodować zagrożenie dla zdrowia lub nawet życia organizmów przebywających w miejscach występowania tych substancji 3. Odory pochodzenia naturalnego. Procesy zachodzące w środowisku naturalnym, w tym erupcje wulkanów, pożary lasów, rozkład materii organicznej przez mikroorganizmy, emisje z terenów bagnistych, erozje skał, czy też wyładowania atmosferyczne, niejednokrotnie prowadzą do emisji substancji złowonnych. Odory pochodzenia antropogenicznego. Działalność człowieka właściwie w każdej sferze wiąże się z emisjami zanieczyszczeń do powietrza. Do głównych źródeł substancji złowonnych należą rolnictwo, przemysł chemiczny, energetyczny, papierniczy, farmaceutyczny, metalurgiczny, przetwórstwa węgla i ropy naftowej, przemysł spożywczy, a także składowiska odpadów. Do odorów powszechnie emitowanych do atmosfery, ze źródeł naturalnych, jak i powstających w wyniku działalności człowieka, należą H 2 S, merkaptany, pochodne tiofenu i inne organiczne związki siarki, kwas masłowy, aldehydy, ketony i węglowodory, fenol i jego pochodne, amoniak, aminy, indol i inne związki azotu. 1 zanieczyszczenie powietrza w Polsce w 2009 roku na tle wielolecia, Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa 2011 2 Kośmider J., Mazur-Chrzanowska B., Wyszyński B.,Odory, PWN, Warszawa 2002 3 Makles Z., Galwas-Zakrzewska M., Złowonne gazy w środowisku pracy, Bezpieczeństwo Pracy, 9/2005, 12-16
Działanie odorów na człowieka Jako, że substancje złowonne występują w każdym środowisku pracy człowieka, zarówno na hali produkcyjnej, w laboratorium, jak i w biurze, powodują one pogorszenie komfortu pracy człowieka, a czasami stwarzają zagrożenie dla jego zdrowia (przykład: patrz ramka poniżej). Oddychanie powietrzem zanieczyszczonym odorami może wywoływać stany zmęczenia, senności, nadpobudliwości, odczucia odrazy itp. Substancje złowonne występujące w małych stężeniach wykazują odrażający zapach i w wyniku tego mogą powodować występowanie nudności oraz bóle głowy. Ich wyższe stężenia mogą wywołać wymioty, biegunkę, białkomocz oraz pojawienie się krwi w moczu. Substancje te mogą oddziaływać na układ oddechowy, pokarmowy, jak i nerwowy. Siarkowodór 4, silnie toksyczny gaz o zapachu zgniłych jaj, powoduje podrażnienie dróg oddechowych i oczu, wywołuje śpiączkę połączoną z drgawkami, zwężenie źrenic, światłowstręt, sinicę, utratę świadomości. W dalszej kolejności porażają układ nerwowy, wywołując drgawki, a nawet zgon na skutek porażenia ośrodka oddechowego. 2. Termiczna desorpcja Desorpcja termiczna (TD) jest procesem ogrzewania materiału w celu uwolnienia substancji chemicznych zaadsorbowanych na nim. Jako metoda analityczna TD jest techniką wstępnego wzbogacania analitów o niskim stężeniu, tak aby przekroczyć próg wykrywalności w chromatografii gazowej (GC). Desorpcja termiczna dzięki możliwości zastosowania odpowiedniego systemu podziału próbki (split) przeznaczonej do rozdziału chromatograficznego, pozwala także na analizę próbek o wysokim stężeniu, dzięki uniknięciu przeciążenia kolumny GC. Termiczna desorpcja (TD) jest bardzo elastyczną, czułą i zapewniającą oszczędność pracy techniką przygotowywania próbki do pomiarów lotnych i pół-lotnych związków organicznych (VOC i SVOCs) w powietrzu i materiałach. Metoda ta ma na celu wzbogacenie analitów, podanie ich na kolumnę chromatograficzną, a następnie ich analizę z wykorzystaniem odpowiedniego detektora. Na czym polega? Próbka przepływa przez rurkę szklaną lub stalową wypełnioną adsorbentem (rys. 1). Zwykle stosuje się przepływ wymuszony za pomocą aspiratora (pompki) umożliwiającego precyzyjne określenie ilości przepływającego przez rurkę gazu. Może być także bierny pobór próbki, tzw. dyfuzyjny. W obu przypadkach, składniki badanego gazu są adsorbowane na powierzchni adsorbentu. Próbka zostaje zatężona (rys. 2). 4 Stetkiewicz J., Siarkowodór, Podstawy i Metody Oceny Środowiska Pracy 2011, nr 4(70), s. 97 117
Rys. 1. Budowa rurki adorpcyjnej Do 100 dm 3 próbki, np. w worku teflonowym lub bezpośrednio ze środowiska przepuszczana przez rurkę wypełnioną adsorbentem I etap II etap Rurka z zaadsorbowaną próbką objętość zredukowana do 100-200 cm 3 pułapka z ponownie zaadsorbowaną próbką objętość zredukowana do 100-200 μl Rys. 2. Schemat wzbogacania analitów poprzez zmniejszenie objętości próbki na kolejnych etapach desorpcji termicznej Drugi etap przygotowania próbki do analizy chromatograficznej stanowi podgrzanie rurki z adsorbentem z dużą szybkością (termiczny) i uwolnienie związków zaadsorbowanych na adsorbencie (desorpcja). Zadaniem przepływającego gazu nośnego jest transport analitów do (a) chromatografu lub (b) do zimnej pułapki (ang. Cold trap), w której następuje ich ponowna adsorpcja w mniejszej ilości adsorbentu (rys. 3). Zimna pułapka jest następnie dynamicznie ogrzewana (wtórna desorpcja secondary desorption), a uwolnione anality (wtórna desorpcja z pułapki secondary [trap] desorption) są przesyłane do kolumny chromatograficznej, w której następuje rozdział mieszaniny i analiza jej składników. Na schemacie (rys. 3.) przedstawiono zaletę zastosowania wtórnej adsorpcji/desorpcji z zastosowaniem zimnej pułapki jaką jest wzrost skuteczności rozdziału chromatograficznego. Dzięki dostępności różnych adsorbentów metoda TD ma zastosowanie w przygotowaniu próbek zawierających związki organiczne o różnej masie cząsteczkowej i budowie chemicznej, w przedziale od acetylenu i freonów do węglowodorów n-c 40, ftalany, plastyfikatory i benzo[a]piren. Umożliwia również ilościowe zatężenie niektórych gazów nieorganicznych, w tym tlenków azotu, SF 6, CS 2 i H 2 S.
(a) rurka adsorpcyjna z próbką kolumna GC chromatogram (b) rurka adsorpcyjna z próbką Rys. 2. Uproszczony schemat (a) jedno- i (b) dwustopniowej desorpcji termicznej. Dobór adsorbentu. kapilarna zimna pułapka z próbką kolumna GC Istnieją trzy główne typy adsorbentów stosowanych w desorpcji termicznej: chromatogram Polimery porowate; Węgle grafitowe; Węglowe sita molekularne. Czynniki uwzględniane przy doborze adsorbentu do poboru próbek: Siła sorbentu adsorbent musi być wystarczająco "mocny", aby zatrzymać docelowe anality w czasie pobierania próbek, ale musi być na tyle słaby, żeby w czasie desorpcji termicznej zostały one uwolnione (desorbowane); Selektywność szeroka gama adsorbentów dostępnych na rynku umożliwia wzbogacanie analitów należących do różnych grup związków, o różnej polarności, budowie chemicznej i wielkości (masie cząsteczkowej i rozmiarze cząsteczki); Inercja/aktywność adsorbent powinien być chemicznie nieaktywny; Hydrofobowość ważnym aspektem podczas poboru próbki jest zmniejszone pochłanianie wody ze środowiska o zwiększonej wilgotności (czasem stosowane są pochłaniacze wilgoci jako wstępny oczyszczanie próbki); Stabilność termiczna często nie jest wyższa niż 225C (Chromosorb, PoraPak), ale są też adsorbenty odporne na temperatury rzędu 300-350C (Tenax lub sorbenty węglowe); Odporność mechaniczna; Wielkość ziaren adsorbentu; Możliwość pojawienia się artefaktów w czasie analizy dotyczy to szczególnie adsorbentów polimerowych (w tym przypadku należy zadbać o odpowiednie parametry desorpcji).
Główne zastosowania Monitoring środowiska i powietrza w miejscu pracy; Kryminalistyka; Badania materiałów i emisji materiałów; Jedzenie - smak i zapach. Metody poboru próbek Próbki mogą być pobierane do rurek adsorpcyjnych wypełnionych jednym lub kilkoma adsorbentami na kilka sposobów, które zestawiono poniżej: pompowane (aktywne) pobieranie próbek prowadzone w temperaturze otoczenia; dyfuzyjne (pasywne) pobieranie próbek do rurek adsorpcyjnych metody pobierania próbek powietrza o pobór strumienia powietrza / gazu online do schłodzonej pułapki sorbentu (poprzez przeznaczony do tego układ poboru próbki praca ciągła lub okresowa) o pobór próbek powietrza do pojemników (pojemniki, worki Tedlar itp) i ich transfer do rurek adsorpcyjnych 3. Chromatografia gazowa Chromatografia gazowa 5,6 jest instrumentalną metodą rozdziału mieszanin związków chemicznych (organicznych i nieorganicznych), takich które możemy przeprowadzić w stan gazu lub pary bez rozkładu termicznego. Metoda ta daje jakościowe i ilościowe informacje o składzie analizowanych mieszanin. Kluczem do sukcesu w rozdziale mieszaniny jest z jednej strony dobór kolumny chromatograficznej, na której następuje rozdział. Na rozdział ten wpływa zarówno długość kolumny, jak i jej faza aktywna (o różnej polarności w zależności od analizowanej mieszaniny związków). Z drugiej strony niezwykle ważny jest dobór odpowiedniego ogrzewania pieca (w nim znajduje się kolumna), które decyduje o szybkości przepływania składników mieszaniny przez kolumnę. Niemałe znaczenie ma rodzaj i przepływ gazu nośnego, który umożliwia transport składników mieszaniny od dozownika, przez kolumnę aż do detektora. Decyduje on o czasie, sprawności i powtarzalności pomiaru. Składniki analizowanej mieszaniny, wymyte z kolumny, trafiają do detektora, który reaguje na ich obecność, w postaci sygnału elektronicznego (przesyłanego do systemu danych). Niektóre detektory wytwarzają sygnały pochodzące od wszystkich składników mieszaniny. Do tej grupy należą detektor cieplno-przewodnościowy (TCD) i selektywny detektor mas (MSD). Część detektorów działa wybiórczo, tzn. daje odpowiedź tylko na obecność substancji o specyficznej budowie, obecności określonych grup funkcyjnych lub atomów. W tej grupie detektorów znajdują się np. detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID), detektor płomieniowo-fotometryczny (FPD) i detektor wychwytu elektronów (ECD). 5 Z. Witkiewicz, Podstawy chromatografii, WNT, Warszawa 1995 6 Należy przypomnieć sobie podstawowe zagadnienia związane z teorią chromatografii gazowej i spektrometrii mas z instrukcji dla kursu Ekstrakcja i chromatografia w analityce (Kod kursu: CHC 023018 l)
4. Wykonanie ćwiczenia Cel ćwiczenia Zapoznanie się z metodą termicznej desorpcji jako sposobem wzbogacenia analitów w próbce gazowej; Wyznaczenie krzywej kalibracyjnej wybranego czynnika złowonnego; Analiza próbki powietrza metodą TD-GC-MS; Określenie stężeń składników złowonnych w badanej próbce powietrza. Odczynniki, naczynia i przyrządy Desorber termiczny (Unity, Markes International); Chromatograf gazowy sprzężony ze spektrometrem mas (HP6860/MSD5973, Hewlett-Packard); Zestaw do kalibracji metodą TD; Worki teflonowe z teflonowym przyłączem; Odoranty wzorce; Przygotowanie aparatu pomiarowego do pracy; Zapoznanie się ze stanowiskiem do analizy próbek metoda TD-GC-MS; Uruchomienie urządzenia i ustawienie parametrów analizy. Przygotowanie analitów do kalibracji Odmierzenie małej ilości (0,1µl do 10µl) wybranego analitu; Adsorpcja analitu w rurkach adsorpcyjnych (5 punktów pomiarowych). Kalibracja substancji odorotwórczej Analiza analitów metodą TD-GC-MS i przygotowanie raportów (z określonym czasem retencji i wyznaczonym polem powierzchni piku); Wyznaczenie krzywej kalibracyjnej (Excel). Analiza próbki powietrza Przepuszczenie określonej ilości (objętości) powietrza przez rurki adsorpcyjne i adsorpcja składników badanego powietrza na adsorbencie; Analiza wzbogaconej próbki powietrza na adsorbencie metodą TD-GC-MS. Identyfikacja składników mieszaniny i określenie stężeń wybranych analitów Identyfikacja składników analizowanej próbki za pomocą biblioteki widm masowych i na podstawie czasów retencji; Wyznaczenie ilości/stężeń wybranych analitów w badanej próbce powietrza. Sprawozdanie Wyniki pracy należy przedstawić w formie raportu który powinien zwięźle opisywać: Cel i zakres ćwiczenia; Metody i materiały stosowane w trakcie ćwiczenia;
Opis doświadczeń; Wyniki (tabelaryczne i graficzne przestawienie wyników, w tym krzywej kalibracyjnej, chromatogramy, raporty, obliczenia zawartości/stężeń poszczególnych składników badanej próbki); Opis wyników i wnioski. Zagadnienia na kartkówkę Odory, odoranty - źródła, przykłady, wpływ na człowieka, sposoby pomiaru; Desorpcja termiczna zasada działania, dobór adsorbentu; Chromatografia gazowa: podstawy, detektory (krótka charakterystyka), czynniki decydujące o skuteczności rozdziału chromatograficznego; Spektrometria mas: podstawy (budowa i zasada działania), widmo masowe. Literatura uzupełniająca: 1. W. Szczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 2002, 2. R.A.W. Johnstone, M.E. Rose, Spektrometria mas, PWN, Warszawa 2001, 3. http://www.sigmaaldrich.com/analytical-chromatography/air-monitoring/thermal-desorption.html 4. http://www.markes.com/