ROZDZIAŁ 27 NOWE PRÓBNIKI PASYWNE DO MONITORINGU ORGANICZNYCH ZANIECZYSZCZEŃ W WODACH POWIERZCHNIOWYCH I GRUNTOWYCH Albert Paschke 1, Branislav Vrana 1, Peter Popp 2, Luise Wennrich 3, Wilhelm Lorenz 3 i Gerrit Schuurmmann 1 1) UFZ-Department of Chemical Ecotoxicology, UFZ Centre for Environmental Research 2)UFZ-Department of Analytical Chemistry, UFZ Centre for Environmental Research Leipzig, Niemcy 3) Institute of Analytical and Environmental Chemistry, Martin-Luther-University Halle-Wittenberg, Niemcy STRESZCZENIE W ostatnich pięciu latach w wielu badaniach polowych stosowano próbniki pasywne z membranami półprzepuszczalnymi (ang. Semi-Permeable Membrane Devices SPMD) do całkowanego w czasie i biomimetycznego pobierania próbek trwałych mikrozanieczyszczeń (chlorowane węglowodory, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (ang. Polyaromatic Hydrocarbons - PAH) występujących w strumieniach, rzekach, jeziorach i studniach głębinowych wokół Lipska. Urządzenia te są kosztowne, a ich stosowanie pracochłonne i zużywające duże ilości rozpuszczalników. Dlatego opracowane zostały nowe rodzaje próbników pasywnych składających się z membrany, otaczającej porowaty materiał silikonowy- czyli nośniki z warstwą polidimetylosiloksanu (PDMS) (umieszczone w płynie) w charakterze fazy odbierającej. Przebadano różne materiały dostępne w handlu, takie jak włókna ekstrakcyjne pokryte 100 µm filmem PDMS produkcji Supelco, elementy sorpcyjne typu Twister (mieszadełka magnetyczne pokryte warstwą PDMS) firmy Gerstel oraz silikonowe rurki i pręty firmy Goodfellow. Przebadano również różne składy płynów umieszczanych w pojemnikach tworzących membranę. W eksperymentach przepływowych prowadzonych w warunkach laboratoryjnych określono szybkość pobierania analitów w warunkach standardowych dla różnego rodzaju próbników. Wstępne próby polowe wykazały przydatność nowych próbników, lecz wskazały również na konieczność ulepszeń dotyczących głównie osłony membrany. Główne korzyści nowo opracowanych pasywnych próbników to: 1) łatwe usuwanie fazy odbierającej; 2) jej obróbka przez bezpośrednią desorpcję termiczną lub mikroekstrakcję rozpuszczalnikiem bez dalszych stadiów oczyszczania; 3) możliwość dodawania do fazy odbierającej przed rozmieszczeniem próbników w terenie tak zwanych związków porównawczych (odniesienia), pozwalającymi określać sprawność przebiegu dalszych etapów analizy; 4) oprócz analizy chemicznej na zawartość konkretnych związków i grup związków objętych i nieobjętych uregulowaniami prawnymi, faza odbierająca również może być także poddana po ekstrakcji odpowiednim rozpuszczalnikiem badaniom przesiewowym biologicznych skutków zanieczyszczeń. Jeśli powiodą się dalsze próby polowe, niektóre z nowych próbników do monitoringu trwałych (bardziej hydrofobowych) związków organicznych w środowisku wodnym mogą okazać się niezbyt kosztowną i wielofunkcyjną alternatywą dla znanych już i stosowanych do tych celów próbników pasywnych typu SPMD.
1. WSTĘP Monitoring substancji stanowiących zanieczyszczenia wód gruntowych i powierzchniowych w celu ochrony ekosystemu i zdrowia ludzkiego jest sprawą najwyższej wagi. Oznaczanie trwałych zanieczyszczeń organicznych (ang. Persistent Organic Pollutants POP) jest niezmiernie istotne, a to z powodu ich wysokiej toksyczności i skłonności do bioakumulacji. Powyższe substancje zanieczyszczające znajdują się w środowiskach wodnych, zarówno w stanie całkowicie rozpuszczonym, jak i w stanie związanym na cząstkach stałych. Dla dokonania właściwej oceny zagrożenia środowiskowego, najistotniejsza jest frakcja dostępna biologicznie, odpowiadająca frakcji rozpuszczonej. Przy konwencjonalnym sposobie pobierania próbek (pobieranie próbek do pojemników) uzyskuje się tylko całkowitą zawartość zanieczyszczeń. Ponadto, analiza w ten sposób pobieranych próbek informuje nas o ilości zawartych w nich zanieczyszczeń w momencie ich poboru. Powyższe problemy mogą być przezwyciężone, jeśli zastosuje się pasywne techniki pobierania próbek analitów. Pozwalają one na oznaczenie średniego ważonego w czasie (ang. Time Weighted Average TWA) stężenia rozpuszczonej frakcji zanieczyszczeń na przestrzeni kilku tygodni, a nawet miesięcy trwającej ekspozycji dozymetru. W porównaniu z konwencjonalnym sposobem pobierania próbek, liczba próbek jest mniejsza i stąd koszt ich pobierania i późniejszej analizy może być znacznie niższy. W dodatku, dzięki długiemu okresowi gromadzenia, pasywne pobieranie próbek analitów pozwala na wykrywanie i oznaczanie pożądanych analitów na niskim poziomie stężeń. Co więcej, urządzenia do pobierania próbek są proste w konstrukcji i nie wymagają zasilania prądem, itp. Powoduje to, że powyższe techniki są szczególnie przydatne do zastosowań polowych, nawet w najbardziej odległych miejscach. Jednakże, aby obliczyć stężenia TWA w monitorowanej fazie wodnej na podstawie ilości zebranych analitów, konieczna jest znajomość właściwej szybkości pobierania próbek przez dany próbnik lub określenie jej w dodatkowych badaniach laboratoryjnych. W ostatnich latach, dla monitorowania zanieczyszczeń w środowiskach wodnych, zaprojektowano wiele typów próbników pasywnych. Urządzenia te można podzielić na dyfuzyjne i permeacyjne, w zależności od etapu decydującego o szybkości przenoszenia analitu do fazy odbierającej [1-3]. Wśród próbników permeacyjnych, do najważniejszych i najszerzej stosowanych należą próbniki z półprzepuszczalnymi membranami (SPMD). Urządzenie typu SPMD składa się z ułożonej płasko rurki z polietylenu o małej gęstości, otaczającej cienki film trioleiny. Urządzenia te okazały się najbardziej skuteczne i wydajne w gromadzeniu zanieczyszczeń liofobowych. W wielu kampaniach badań polowych zastosowano dostępne w handlu, standardowe urządzenia SPMD do pobierania próbek chlorowanych węglowodorów, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, itp. w strumieniach, rzekach, jeziorach i wodach gruntowych wokół Lipska. Główną wadą tego rodzaju próbnika, oprócz jego wysokiej ceny, jest złożona procedura przygotowania próbki w celu odzysku z fazy odbierającej (trioleiny) nagromadzonych w niej zanieczyszczeń. Wykonuje się to drogą dializy stosując znaczne ilości organicznych rozpuszczalników, a następnie stosuje się wstępne zatężanie (wzbogacanie) i kosztowne oczyszczanie ekstraktu przed analizą chromatograficzną [6,9,10]. 572
W ostatniej dekadzie, w celu wyeliminowania powyższych wad, podjęto próby ulepszenia tych urządzeń, a tym samym uatrakcyjnienia technologii pasywnego poboru próbek na potrzeby rutynowych programów monitoringu. Takie próbniki pasywne zawierają materiały stałe (adsorbenty o określonej granulacji lub lite materiały polimerowe) w miejsce ciekłej organicznej fazy odbierającej. Pozwala to na desorpcję termiczną zgromadzonych zanieczyszczeń bez dodatkowej obróbki próbek. Do praktyki analitycznej został także wprowadzony próbnik pasywny [11-13], składający się ze szklanej rurki, zamkniętej na jednym końcu membraną silikonowopoliwęglanową. Próbnik ten może być wypełniony różnymi ziarnistymi materiałami takimi, jak: węgiel aktywny, Tenax-TA, XAD-7, Chromosorb 103 i Porapak Q w zależności od docelowego analitu. Po ekspozycji ziarnista, porowata faza odbierająca może zostać poddana procesowi desorpcji termicznej w celu uwolnienia analitów lub ich reekstrakcji do odpowiedniego rozpuszczalnika. Powyższy próbnik był zastosowany pomyślnie do wzbogacania bardziej lotnych substancji organicznych, takich jak związki aromatyczne [13] i fenole[12], podczas gdy wzbogacanie mniej lotnych związków było mniej skuteczne. Opracowano również [14-15] nowy ceramiczny dozymetr do całkującego pobierania próbek związków organicznych z wód gruntowych. Próbnik ten składa się z porowatej ceramicznej rurki wypełnionej różnymi ziarnistymi adsorbentami, np. wymieniaczem jonowym Amberlite IRA-743 lub sorbentem Tenax i był on sprawdzony przy monitorowaniu kilku analitów z grupy PAH w wodach gruntowych. Napotkano jednak trudności w zakresie stosowania desorpcji termicznej analitów z sorbentu Tenax, spowodowane nieoczekiwaną permeacją wody przez rurkę ceramiczną. W ostatnich latach badania autorów rozdziału koncentrowały się na ulepszaniu i testowaniu próbników permeacyjnych przeznaczonych do pobierania próbek trwałych zanieczyszczeń organicznych ze środowisk wodnych, z wykorzystaniem dostępnych w handlu pokryć polidimetylosiloksanowych lub materiałów silikonowych (rurki, pręty) jako fazy odbierającej. PDMS jest polecany jako faza odbierająca w procesie ekstrakcji połączonej z desorpcją termiczną, ponieważ posiada szereg zalet w porównaniu z innymi sorbentami [16]. Dominującym mechanizmem ekstrakcji analitu do fazy PDMS jest podział, co oznacza, że nie odgrywają tu żadnej roli efekty wzajemnego wypierania analitów charakterystyczne dla adsorbentów. W niniejszym rozdziale zawarte jest podsumowanie aktualnego stanu badań autorów w tym zakresie i nakreślony jest plan dalszych działań. 2. PRÓBNIK Z WŁÓKNEM EKSTRAKCYJNYM POKRYTYM FILMEM PDMS [17] Na rys.1 przedstawiono ogólną budowę próbnika permeacyjnego. Przebadano membrany w postaci worków (13 cm 2.5 cm) wykonanych z rurek o grubości ścianki 100µm z polietylenu o małej gęstości (LDPE Low Density Polyethylene, Polymer Synthesewerk Rheinberg, Niemcy), zgrzewanych na obu końcach, zawierające włókna ekstrakcyjne stosowane w urządzeniach SPME, pokryte PDMS o grubości filmu 100 µm (Supelco, Deisenhofen, Niemcy) w charakterze fazy odbierającej (V=0.68µL) i 25 ml mieszaniny izopropanol/woda 40/60 (v/v) jako płynu wypełniającego. 573
Sprężyna spiralna zapobiega bezpośredniemu kontaktowi pokrycia włókna z membraną. Sprężyna ze stali nierdzewnej Membrana Włókno szklane pokryte PDMS Płyn wypełniający Rys. 1.Budowa próbnika permeacyjnego z włóknem ekstrakcyjnym pokrytym filmem PDMS. Działanie nowego próbnika było przebadane za pomocą ekspozycji jego egzemplarzy w warunkach kontrolowanego czasu w układzie przepływowym opisanym w [18] w temperaturze 19 o C (przepływ pod prąd: 36 L/h; nominalne stężenie każdej badanej substancji w wodzie: 50 ng/l; czas ekspozycji: do 360 godz.). Uzyskane szybkości pobierania próbek analitów są zebrane w drugiej kolumnie tabeli 1 (szczegóły dotyczące desorpcji z włókna do SPME i analizy techniką chromatografii gazowejpatrz [19]). Poważnym problemem w przypadku stosowania tego typu próbnika jest bardzo wrażliwe zakończenie włókna szklanego pokrytego polimerem oraz trudności związane z jego wyjmowaniem i ponownym wkładaniem do stalowej igły handlowo dostępnej strzykawki stosowanej w technice SPME. 3. PRÓBNIK Z ELEMENTEM SORPCYJNYM TYPU TWISTER POKRYTYM WARSTWĄ PDMS [18,20] Ruchome elementy sorpcyjne (mieszadełka magnetyczne pokryte PDMS jako fazą odbierającą) znane pod nazwą handlową Twister (Gerstel, Muhlheim/Ruhr, Niemcy) są powszechnie używane do bezrozpuszczalnikowej mikroekstrakcji (podobnie jak urządzenie do SPME wyposażone we włókno ekstrakcyjne), lecz charakteryzują się one znacznie większą pojemnością ekstrakcyjną. Na rys. 2 przedstawiony jest schemat próbnika. Badano membranowe worki do dializy z regenerowanej celulozy Spectra/Por 6 o granicy ciężaru cząsteczkowego 1 kda (wymiary worka: 3 cm 1.8 cm) zamknięte na obu końcach pokrywkami z bloku Spectra/Por o grubości 35 mm, z umieszczonymi wewnątrz nich elementami sorpcyjnymi typu Twister o długości 15 mm, pokrytymi warstwą PDMS o grubości 500µm (V = 24µL) i 3 ml podwójnie destylowanej wody jako płynem wypełniającym. 574
Płyn wypełniający Membrana Element sorpcyjny typu Twister pokryty PDMS Pokrywka Rys. 2 Budowa pasywnego próbnika permeacyjnego z elementem sorpcyjnym typu Twister pokrytym grubym filmem PDMS. Zastosowanie zregenerowanej celulozy jako hydrofilowego porowatego materiału membrany pozwala zwiększyć zakres jej stosowalności, obejmując zanieczyszczenia o szerszym zakresie polarności, włącznie z niskohydrofobowymi substancjami (log K ow <4). Niestety, materiał ten posiada niską stabilność chemiczną i termiczną oraz ulega rozpadowi mikrobiologicznemu, co prowadzi do uszkodzenia próbnika w naturalnych wodach powierzchniowych. Ten typ próbnika był również przetestowany w aparacie przepływowym. (w takich samych warunkach jak omówione wyżej, szczegóły eksperymentalne- patrz [18]). Wyznaczone szybkości pobierania próbek. zostały zestawione w trzeciej kolumnie tabeli 1. Tabela 1. Szybkości poboru próbek analitów dla pasywnych próbników permeacyjnych z włóknem do urządzenia SPME pokrytym PDMS oraz elementem sorpcyjnym typu Twister w stosunku do wybranych POP (bezpośrednio nieporównywalne- patrz tekst). Analit Próbnik z włóknem urządzenia do SPME Próbnik z elementem sorpcyjnym typu Twister α-hch 0,50 0,40 Heksachlorobenzen 2,21 0,25 Antracen 1,45 0,22 Fluoranten 1,46 0,25 Piren 1,18 0,27 Benzo[a]antracen 0,88 0,37 PCB 28 7,03 0,15 PCB 52 8,85 0,15 PCB 101 6,30 0,13 PCB 138 4,55 0,09 PCB 153 3,12 0,10 575
4. PRÓBNIK Z RURKĄ/PRĘTEM SILIKONOWYM [20,21] Ten typ próbnika łączy zalety związane z wysoką pojemnością fazy odbierającej z zaletami stabilnych membran, takich jak LDPE. Membrany te charakteryzują się hydrofobowością, są odporne na działanie rozpuszczalników i biodegradację oraz mogą one być zgrzewane. Co więcej, drogi (i wrażliwy) element sorpcyjny typu Twister jest tutaj zastąpiony względnie tanim materiałem silikonowym (kawałki rurki lub pręta), służącym jako faza odbierająca. Dodatkowe badania wykazały użyteczność tych materiałów dla skutecznego wstępnego zatężania analitów z grupy POP z próbek wodnych i możliwość zastosowania układu desorpcja termiczna GC MS, analogicznie jak przy postępowaniu z urządzeniami typu Twister [21,22]. Znacznie zwiększona objętość fazy odbierającej (V>100 ml) zwiększa maksymalny czas ekspozycji tego typu próbników pasywnych w przypadku badań polowych. Różne konfiguracje nowych próbników poddawano ekspozycji w wodzie z dodatkiem substancji wzorcowych w systemie przepływowym w temperaturze 14 o C (przepływ pod prąd: 60 L/h; stężenie nominalne 50 ng/ldla każdego badanego związku chemicznego; czas ekspozycji 176/236 h). Worki membrany (5 cm 3 cm) wykonane są z rur z LDPE o grubości ścianki 80 µm (Polymer Synthesewerk Rheinberg, Niemcy). Fazę odbierającą tworzą kawałki rurki silikonowej (3.6 mm O.D., 3.0 mm I.D., długość 4 cm; Reichelt, Heidelberg, Niemcy) lub pręta silikonowego (2.0 mm O.D., długość 4 cm; Goodfellow, Bad Nauheim, Niemcy). Materiał silikonowy w pierwszej serii eksperymentów był umieszczony w 8 ml wody, a w drugiej w powietrzu (bliższe szczegóły eksperymentalne- patrz [21]). W tabeli 2 zamieszczone są szybkości pobierania próbek analitów obliczone z wyznaczonych przyrostów mas. Znacznie większe szybkości poboru próbek analitów uzyskano, gdy stosowano powietrze jako płyn wypełniający worki membranowe. Można to wytłumaczyć w oparciu o szczegółowe rozważania dotyczące oporów związanych z przenoszeniem masy. Wyniki były podobne dla materiału silikonowego w postaci rurek i w postaci prętów, lecz wariancje wartości SR były niższe dla próbnika zawierającego rurki. Praktyczną wadą tego ostatniego materiału w połączeniu z wodą jako cieczą wypełniającą, pozostające wewnątrz rurek silikonowych krople wody mogą zakłócić analizę z wykorzystaniem techniki GC MS. Tabela 2. Szybkości pobierania próbek analitów z grupy POP dla pasywnych próbników permeacyjnych z różnymi materiałami silikonowymi i różnymi płynami wypełniającymi (szczegóły, patrz tekst). Analit próbnik z prętem i wodą próbnik z rurką i wodą próbnik z rurką i powietrzem α-hch 0,28 0,18 0,14 Hexachlorobenzen 0,09 0,06 0,90 Antracen 0,12 0,26 0,99 Fluoranten 0,04 0,06 0,12 Piren 0,03 0,03 0,10 576
Benzo[a]antracen 0,01 0,01 0,03 PCB 28 0,06 0,06 0,92 PCB 52 0,03 0,04 0,62 PCB 101 <0,01 <0,01 0,10 5. PERSPEKTYWY. Desorpcja termiczna analitów z grupy POP (i wielu innych nagromadzonych analitów) z fazy odbierającej (włókno z PDMS, element sorpcyjny typu Twister, silikonowa rurka/pręt) może być zastąpiona mikroekstrakcją za pomocą rozpuszczalnika [23-25]. Powyższy fakt może mieć pewne zalety: 1) powoduje, że przed analizą chromatograficzną zbędny staje się układ: desorpcja termiczna nastrzyk na czoło chłodzonej kolumny; 2) pozwala na powtórzenie analizy; 3) otrzymany ekstrakt może być poddany testom przesiewowym na efekty biologiczne. Konieczne są szeroko zakrojone badania polowe z wykorzystaniem nowych próbników w celu wykazania ich przydatności w warunkach rzeczywistych. Ponadto, niezbędne są dodatkowe badania laboratoryjne w warunkach kontrolowanej ekspozycji dla zweryfikowania/uzyskania szybkości pobierania próbek analitów dla szerokiej gamy zanieczyszczeń występujących w wodach. LITERATURA [1.] Brown R.H., J. Environ. Monit., 2, 1 (2000). [2.] Kot A., Zabiegała B., Namieśnik J., Trends Anal. Chem., 19, 446 (2000). [3.] Gorecki T., Namiesnik J., Trends Anal. Chem., 21, 276 (2002) [4.] Huckins J.N., Tubergen M.W., Manuweera G.K, Chemosphere, 20, 533 (1990). [5.] Huckins J.N., Manuweera G.K., Petty J.D., Mackay D, Lebo, J.A., Environ. Sci. Technol. 27, 2489 (1993). [6.] Vrana B., Paschke A., Popp P., Schüürmann G., Environ. Sci. & Pollut. Res., 8, 27 (2001). [7.] Vrana B., Paschke A., Popp P., J. Environ. Monit., 3, 602 (2001). [8.] Vrana B., Paschke H., Paschke A., Popp P., Schüürmann G., w przygotowaniu, (2003). [9.] Lebo J.A., Zajicek J.L., Huckins J.N., Petty J.D., Peterman P.H., Chemosphere, 25, 697 (1992). [10.] Petty J.D., Orazio C.E., Huckins J.N., Gale R.W., Lebo J.A., Meadows J.C., Echols K.R., Cranor W.L., J. Chromatogr. A 879, 83 (2000). [11.] Blanchard R.D., Hardy J.K., Anal. Chem.,, 57, 2349 (1985). [12.] Zhang G.Z., Hardy J.K., J. Environ. Sci. Health, A24, 279 (1989). [13.] Lee H.L., Hardy J. K., Intern. J. Environ. Anal. Chem., 72, 83 (1998). [14.] Grathwohl P., Patentschrift DE 198 30 413 A1, Deutsches Patent- und Markenamt München (1999). [15.] Martin H., Entwicklung von Passivsammlern zum zeitlich integrierenden Depositions- und Grundwassermonitoring: Adsorberkartuschen und Keramikdosimeter (praca doktorska), University of Tübingen, Germany, 2000. [16.] Baltussen E., Cramers C.A., Sandra P.J.F., Anal. Bioanal. Chem. 373, 3 (2002). [17.] Vrana B., Popp P., Paschke A., Hauser B., Schröter U. i Schüürmann G., Patentschrift DE 100 42 073 C 2, Deutsches Patent- und Markenamt München (2002). [18.] Vrana B., Popp P., Paschke A., and Schüürmann G., Anal. Chem., 73, 5191 (2001). [19.] Paschke A., Popp P., J. Chromatogr. A, 999, 35 (2003). [20.] Popp P., Hauser B., Paschke A., Vrana B., Offenlegungsschrift DE 100 42 074 A1 Deutsches Patent- und Markenamt München (2002). 577
[21.] Wennrich L., Vrana B., Popp P., Lorenz W., J. Environ. Monit., w druku (2003). [22.] Montero L., Popp P., Paschke A, Pawliszyn J., J. Chromatogr. A., przyjęte do druku (2003). [23.] Popp P., Bauer C., Möder M., Paschke A., J. Chromatogr. A 897, 153 (2000) [24.] Popp P., Bauer C., Wennrich L., Anal. Chim. Acta 436, 1 (2001) [25.] Popp P., Bauer C., Paschke A., Montero-Schiemann L., wysłane do druku (2003). 578