UNIWERSYTET GDAŃSKI WYDZIAŁ CHEMII Pracownia studencka Zakład Analizy Środowiska Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Ćwiczenie nr 1 Ekstrakcja pestycydów chloroorganicznych z gleby i opracowanie metody analizy techniką chromatografii gazowej Chemia środków ochrony roślin Gdańsk, 2013
2 1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA Techniki ekstrakcyjne są najczęściej stosowanymi metodami izolacji i wzbogacania analitów występujących w próbkach środowiskowych. Stosowane są one w analityce śladowych składników próbek gazowych, ciekłych oraz stałych w celu usunięcia substancji zanieczyszczających oraz osiągnięcia odpowiedniej granicy wykrywalności (LOD). Podczas procesu ekstrakcji następuje przeniesienie analitów z próbki (matrycy pierwotnej) do matrycy odbierającej (tzw. wtórnej), która ma zazwyczaj prosty, ściśle zdefiniowany skład chemiczny. Wprowadzenie etapu ekstrakcji do procedury analitycznej daje zazwyczaj następujące korzyści: przeniesienie analitów do matrycy o znacznie prostszym niż matryca pierwotna i jednocześnie jednoznacznie określonym składzie chemicznym, najczęściej bardziej odpowiedniej do oznaczeń końcowych, usunięcie składników przeszkadzających w analizie końcowej, możliwość podniesienia stężenia analitów powyżej granicy oznaczalności stosowanej techniki i przyrządu pomiarowego. Należy jednak pamiętać, że proces ekstrakcji może prowadzić do straty pewnej części analitów i wprowadzać dodatkowe zanieczyszczenia próbki. Ekstrakcja zanieczyszczeń organicznych (np. węglowodorów aromatycznych i alifatycznych czy pestycydów) z gleby jest przykładem ekstrakcji próbek stałych. Proces ten może być realizowany na wiele sposobów, jak obrazuje Rysunek 1. Ekstrakcja cieczą jest podstawowym procesem wyodrębniania związków organicznych z próbek stałych. Polega ona na wybiórczym rozpuszczaniu substancji znajdującej się w stałej próbce w określonym rozpuszczalniku. Obecnie stosowane techniki ekstrakcji próbek stałych cieczą dzielą się na trzy zasadnicze grupy (patrz też Tabela 1): Techniki klasyczne, do których zaliczamy: ekstrakcję rozpuszczalnikiem z wytrząsaniem, ekstrakcję za pomocą strumienia rozpuszczalnika, saponifikację, ekstrakcję w aparacie Soxhleta oraz homogenizację próbki z rozpuszczalnikiem; Nowoczesne techniki z wykorzystaniem dodatkowych czynników do wspomagania ekstrakcji (ultradźwięki czy promieniowanie mikrofalowe). Do tej grupy technik ekstrakcji należy sonikacja, przyśpieszona ekstrakcja z pomocą rozpuszczalnika (ASE), ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika pod zwiększonym ciśnieniem (MPLE), ekstrakcja z pomocą rozpuszczalnika wspomagana promieniowaniem mikrofalowym (MAE); Techniki, w których wykorzystuje się płyny w stanie nadkrytycznym (SFE).
3 Rysunek 1. Klasyfikacja technik ekstrakcji z próbek stałych (J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz, M. Pilarczyk, L. Torres, Przygotowanie próbek środowiskowych do analiz, WNT, Warszawa, 2000). Tabela 1. Porównanie różnych technik ekstrakcji z wykorzystaniem rozpuszczalników ze względu na czas trwania procesu i ilość zużywanych rozpuszczalników (J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz, M. Pilarczyk, L. Torres Przygotowanie próbek środowiskowych do analiz, WNT, Warszawa, 2000).
4 Pestycydy chloroorganiczne, stosowane na szeroką skalę w latach 1940-1970, należą do tzw. trwałych zanieczyszczeń organicznych (POPs, Persistent Organic Pollutants). Stanowią dziewięć spośród dwunastu zanieczyszczeń tego typu, zdefiniowanych przez Konwencję Sztokholmską, podpisaną w 2001 r. (weszła w życie trzy lata później). Ich wspólną cechą jest wysoka lipofilowość, duża trwałość w środowisku (nawet kilkadziesiąt lat) oraz zdolność do gromadzenia się w organizmach zwierzęcych (bioakumulacja) i przenoszenie wzdłuż łańcuchów pokarmowych (biomagnifikacja). Jednym z celów Konwencji jest eliminacja z użycia wszystkich pestycydów, ujętych w Tabeli 2. Wyjątkiem jest stosowanie DDT do zwalczania owadów przenoszących choroby; dodatkowo, pewne ilości heksachlorobenzenu powstają jako produkt uboczny niektórych procesów przemysłowych. Począwszy od roku 2009, lista POPs ulega rozszerzeniu na kolejne związki chemiczne. Tabela 2. Pestycydy, ujęte na liście trwałych zanieczyszczeń organicznych w 2001 roku, wg Konwencji Sztokholmskiej (zakres stosowania wg Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska). Pestycyd Zakres stosowania Aldryna Insektycyd, stosowany w uprawach kukurydzy i bawełny; zwalczanie termitów Dieldryna Chlordan DDT Insektycyd, stosowany w wielu uprawach; zwalczanie termitów Insektycyd, stosowany w wielu uprawach; zwalczanie owadów przenoszących choroby Endryna Insektycyd, stosowany głównie w uprawach bawełny i zbóż; rodentocyd Heptachlor Insektycyd, stosowany głównie do zwalczania owadów w glebie; także do zwalczania owadów przenoszących choroby Heksachlorobenzen Fungicyd; stosowany także w przemyśle chemicznym; bywa zanieczyszczeniem innych pestycydów Mirex Insektycyd; stosowany także w przemyśle chemicznym Toksafen Insektycyd o szerokim zakresie stosowania 2. WYKONANIE ĆWICZENIA 2.1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest porównanie wydajności technik ekstrakcji pestycydów z próbek gleby,
5 przy wykorzystaniu: rożnych matryc: mokrej i suchej gleby, zanieczyszczonej mieszaniną pestycydów chloroorganicznych ekstrakcji z mieszaniem oraz wspomaganej ultradźwiękami Jako rozpuszczalnik do ekstrakcji wykorzystany zostanie dichlorometan. Zanieczyszczona gleba pochodzi z miejsca składowania znacznej ilości odpadów zawierających pestycydy chloroorganiczne. 2.2. Wykonanie ćwiczenia 2.2.1. Ekstrakcja z gleby suchej Ekstrakcję należy wykonać zgodnie z poniższym schematem, w punkcie 5 należy dodać określoną przez prowadzącego ilość roztworu wzorca wewnętrznego. Rysunek 2. Schemat części doświadczalnej ekstrakcja pestycydów z gleby suchej.
6 2.2.2. Ekstrakcja z gleby mokrej Ekstrakcję należy wykonać zgodnie z poniższym schematem, w punkcie 5 należy dodać określoną przez prowadzącego ilość roztworu wzorca wewnętrznego. Rysunek 3. Schemat części doświadczalnej ekstrakcja pestycydów z gleby mokrej. 2.2.3. Analiza metodami GC-FID i GC-MS Uzyskane ekstrakty należy poddać analizom chromatograficznym (GC-FID oraz GC-MS) korzystając z warunków opracowanych na zajęciach we współpracy z prowadzącym ćwiczenia. 3. OPRACOWANIE WYNIKÓW Na podstawie wyników analizy GC-MS (poprzez porównanie uzyskanych widm mas z widmami obecnymi w bibliotece NIST), należy zidentyfikować obecne w próbce pestycydy. Następnie, na podstawie uzyskanych pól powierzchni analitów oraz sygnału wzorca
7 wewnętrznego należy dokonać oceny skuteczności wykorzystanych technik ekstrakcji pestycydów z próbek gleby (suchej i mokrej) i oszacować zawartość poszczególnych związków w badanej próbce. 4. SZKŁO I ODCZYNNIKI 4.1. Odczynniki i sprzęt laboratoryjny próbki gleby suchej i mokrej zanieczyszczonej mieszaniną pestycydów, dichlorometan, roztwór wzorca wewnętrznego, bezwodny siarczan (VI) sodu, waga analityczna, wyparka rotacyjna, mieszadło magnetyczne, szpatułka metalowa - 2 szt., szczypce metalowe - 1 szt., bagietka szklana - 2 szt., pipeta Pasteura - 5 szt., butelka z nakrętką (poj. 2mL) - 3 szt., strzykawka szklana 100 µl, strzykawka do GC 10 µl, cylinder miarowy 250 ml - 1 szt., cylinder miarowy 50 ml - 1 szt., kolby stożkowe 100 ml - 3 szt., kolby okrągłodenne 100 ml 3 szt., lejek szklany 3 szt., sączki twarde jakościowe 4.2. Aparatura laboratoryjna Chromatograf gazowy Trace 2000 GC (Thermo Scientific) z detektorem FID Chromatograf gazowy sprzężony ze spektrometrem mas Shimadzu QP-2O1OSE