PRACE. Instytutu Szk³a, Ceramiki Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych. Nr 4

PRACE Instytutu Szk³a, Ceramiki Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych Scientific Works of Institute of Glass, Ceramics Refractory and Construction Materials Nr 4 ISSN 1899-3230 Rok II Warszawa Opole 2009

OZNACZANIE WIELOPIERŒCIENIOWYCH WÊGLOWODORÓW AROMATYCZNYCH W STA YCH... 155 MARTA BO YM * JOANNA POLUSZYÑSKA ** IRENA S AWIÑSKA *** JOLANTA DWOJAK **** Oznaczanie wielopierœcieniowych wêglowodorów aromatycznych w sta³ych próbkach œrodowiskowych z wykorzystaniem chromatografii gazowej sprzê onej ze spektrometri¹ mas GC-MS Wielopierœcieniowe wêglowodory aromatyczne (WWA) wystêpuj¹ powszechnie we wszystkich elementach œrodowiska (powietrze, wody, gleby). Do najpowszechniejszych metod oznaczania WWA w próbkach œrodowiskowych nale ¹ chromatografia gazowa z detektorem jonizacji p³omieniowej i z detektorem spektrometrii masowej oraz chromatografia cieczowa. W pracy przedstawiono wyniki badañ zawartoœci wielopierœcieniowych wêglowodorów aromatycznych w sta³ych próbkach œrodowiskowych, wykonanych opracowan¹ w laboratorium metod¹ oznaczania WWA z wykorzystaniem chromatografii gazowej ze spektrometri¹ mas. Wykonano kalibracjê przy pomocy wzorców mieszaniny WWA. Okreœlono granice wykrywalnoœci i oznaczalnoœci dla opracowanej metody oraz porównano dwie metody oznaczania WWA w tych samych próbkach przy u yciu chromatografu gazowego z detektorem jonizacji p³omieniowej (FID) oraz chromatografu gazowego z detektorem spektrometrii masowej. 1. Wstêp Wielopierœcieniowe wêglowodory aromatyczne stanowi¹ grupê zwi¹zków organicznych zawieraj¹cych od 2 do 13 pierœcieni benzenowych. Najbardziej szkodliwym (rakotwórczym) WWA jest benzo(a)piren [4, 7, 8]. * Dr in., Instytut Szk³a, Ceramiki, Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych w Warszawie, Oddzia³ In ynierii Materia³owej, Procesowej i Œrodowiska w Opolu. ** Mgr, Instytut Szk³a, Ceramiki, Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych w Warszawie, Oddzia³ In ynierii Materia³owej, Procesowej i Œrodowiska w Opolu. *** Mgr, Instytut Szk³a, Ceramiki, Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych w Warszawie, Oddzia³ In ynierii Materia³owej, Procesowej i Œrodowiska w Opolu. **** Mgr, Instytut Szk³a, Ceramiki, Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych w Warszawie, Oddzia³ In ynierii Materia³owej, Procesowej i Œrodowiska w Opolu.

156 MARTA BO YM, JOANNA POLUSZYÑSKA, IRENA S AWIÑSKA, JOLANTA DWOJAK Zwi¹zki te wystêpuj¹ we wszystkich elementach œrodowiska (powietrze, wody, gleby). Znaczne ich iloœci mog¹ znajdowaæ siê w œciekach przemys³owych, zw³aszcza z przemys³u petrochemicznego [1, 7, 9, 11]. Wielopierœcieniowe wêglowodory aromatyczne dostaj¹ siê do gruntów najczêœciej w wyniku opadu zanieczyszczonego py³u i s¹ silnie adsorbowane przez cz¹stki gleby [5]. W Polsce zawartoœæ WWA w gruncie reguluje rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska w sprawie standardów jakoœci gleby oraz standardów jakoœci ziemi z dnia 9 wrzeœnia 2002 r. [10]. Rozporz¹dzenie to okreœla, obok sumy WWA, tak e normatywy dotycz¹ce poszczególnych zwi¹zków z tej grupy (naftalen, fenantren, antracen, fluoranten, chryzen, benzo(a)antracen, benzo(a)piren, benzo(a)fluoranten, benzo(ghi)perylen) [10]. Oznaczenie WWA w próbkach wymaga stosowania metod chromatograficznych, umo liwiaj¹cych rozdzielenie i identyfikacjê pojedynczych zwi¹zków. Najbardziej selektywn¹ metod¹ identyfikacji WWA jest metoda chromatografii gazowej ze spektometri¹ mas (GC-MS) [3]. Zdolnoœæ rozdzielcza i mo liwoœæ identyfikacji zwi¹zków detektora spektometrii mas (MS) jest du o wiêksza ni standardowo stosowanego do oznaczeñ WWA detektora p³omieniowo-jonizacyjnego FID. Detektor masowy ma zdolnoœæ rozdzielania i mierzenia jonów molekularnych i fragmentarycznych, okreœlaj¹c stosunek ich masy do ³adunku m/e. Wynik mo na przedstawiæ graficznie jako stosunek wartoœci m/e do stê enia jonów. Metoda GC-MS jest przydatna do wykrywania i oznaczania wielu zwi¹zków organicznych wystêpuj¹cych w próbce w bardzo ma³ych iloœciach, których nie mo na oznaczyæ innymi metodami [2]. Ze wzglêdu na wysokie koszty, metodê tê wykorzystuje siê zwykle do identyfikacji lub potwierdzenia wystêpowania danego zwi¹zku w próbce 2. Materia³ i metody badañ Do badania zawartoœci wielopierœcieniowych wêglowodorów aromatycznych wybrano dwie metody chromatograficzne, metodê chromatografii gazowej (GC) z detektorem FID oraz metodê GC z detektorem MS. Próbki do badañ sporz¹dzono poprzez wzbogacenie próbek gleby oznaczanymi WWA. Zakres pracy obejmowa³: wybór kolumny chromatograficznej oraz opracowanie programu temperaturowego chromatografu, okreœlenie zakresu analitycznego, w tym sporz¹dzenie krzywych kalibracyjnych, porównanie wyników odzysku dla próbek wzbogacanych WWA wykonanych metod¹ chromatografii gazowej z detektorem FID i MS.

OZNACZANIE WIELOPIERŒCIENIOWYCH WÊGLOWODORÓW AROMATYCZNYCH W STA YCH... 157 2.1. Warunki pracy chromatografu Do analiz wykorzystano kolumnê kapilarn¹ o d³ugoœci 60 m, przekroju 0,25 mm i gruboœci fazy stacjonarnej 0,25 ìm. W celu identyfikacji WWA zastosowano program temperaturowy, opracowany wczeœniej dla metody oznaczania WWA w wodzie metod¹ GC-MS. Opracowana metoda charakteryzuje siê nastêpuj¹cymi parametrami (ryc. 1): temperatura dozownika 300 C, temperatura interfejsu 300 C, program temperaturowy pieca: 80 C przez 8 min, narost 10 C/min 270 C przez 12 min, narost 2 C/min 300 C przez 12 min, przep³yw helu przez kolumnê 1 cm! /min, pr¹d detektora MS od 1,2 do 1,4 kv. Ryc. 1. Program temperaturowy oraz parametry analizy WWA w glebie metod¹ GC-MS 2.2. Zakres analityczny Roztwory kalibracyjne sporz¹dzono z certyfikowanego wzorca PAH mixture CC-3187, zawieraj¹cego mieszaninê WWA, o stê eniu ka dego wêglowodoru 500 ìg/cm!. Badana mieszanina zawiera³a: naftalen, fenantren, antracen, fluoranten, chryzen, benzo(a)antracen, benzo(a)piren, benzo(b)fluoranten, benzo(ghi)perylen.

158 MARTA BO YM, JOANNA POLUSZYÑSKA, IRENA S AWIÑSKA, JOLANTA DWOJAK Przygotowano 5 roztworów kalibracyjnych o stê eniach: 1 ìg/cm!, 5 ìg/cm!, 10 ìg/cm!, 15 ìg/cm!, 20 ìg/cm! dla ka dego WWA. Na podstawie chromatogramów sporz¹dzono krzywe kalibracyjne w zakresie 1 20 mg/cm! dla ka dego WWA. Przyk³adowy chromatogram oraz przebieg krzywej kalibracyjnej dla antracenu przedstawiaj¹ ryciny 2 i 3. Ryc. 2. Chromatogram WWA z widmem masowym antracenu dla stê eñ 1, 5, 10, 15, 20 ìg/cm! 1000000 900000 pole powierzchni piku 800000 700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0 y = 45331x - 9600,3 R = 0,9976 0 5 10 15 20 25 µg/cm! Ryc. 3. Przebieg krzywej kalibracyjnej dla antracenu w zakresie 1 20 ìg/cm! dla metody GC-MS

OZNACZANIE WIELOPIERŒCIENIOWYCH WÊGLOWODORÓW AROMATYCZNYCH W STA YCH... 159 Okreœlono granicê wykrywalnoœci, przez któr¹ rozumie siê najmniejsz¹ zawartoœæ oznaczanego analitu, jak¹ mo na wykryæ za pomoc¹ danego urz¹dzenia pomiarowego. W celu wyznaczenia granicy wykrywalnoœci metody wykonano wiele wzorców o stê eniach ni szych od stê eñ krzywej kalibracyjnej: 0,1 ìg/cm!, 0,3 ìg/cm!, 0,5 ìg/cm!, 0,8 ìg/cm!. Wykryto WWA dla wszystkich powy szych stê eñ wzorców, lecz wyznaczona z nich krzywa kalibracyjna nie wykazywa³a charakteru liniowego, dlatego te poziomy te nie mog¹ stanowiæ wartoœci odniesienia do obliczeñ iloœciowych. Najmniejsz¹ wartoœci¹ analitu, jaka zosta³a wykryta metod¹ GC-MS, by³o stê- enie 0,1 ìg/cm! (ryc. 4). Uzyskany wynik przeliczono na masê gleby u ytej do ekstrakcji. W ten sposób zosta³a okreœlona granica wykrywalnoœci dla metody, która wynosi 0,002 ìg/g (mg/kg) suchej masy. Na rycinie 4 przedstawiono chromatogram mieszaniny WWA o najmniejszym stê eniu, które uda³o siê wykryæ przy u yciu metody GC-MS. Ryc. 4. Chromatogram mieszaniny wzorcowej o stê eniu 0,1 ìg/cm! dla metody GC-MS 2.3. Ekstrakcja WWA z próbek gleby Ekstrakcjê wêglowodorów przeprowadzono zgodnie z opracowan¹ w 2005 r. w Laboratorium Badañ Œrodowiska Oddzia³u In ynierii Materia³owej, Procesowej i Œrodowiska w Opolu metod¹ izolacji WWA z gleby przy u yciu mieszaniny rozpuszczalników heksan : aceton (4 : 1, v/v) [6].

160 MARTA BO YM, JOANNA POLUSZYÑSKA, IRENA S AWIÑSKA, JOLANTA DWOJAK Odwa on¹ próbkê gleby wysuszon¹ w temperaturze pokojowej i przesian¹ przeniesiono do gilzy ekstrakcyjnej oraz umieszczono w aparacie Soxhleta. Ekstrakcjê próbki, mieszanin¹ rozpuszczalników heksan:aceton (4 : 1, v/v), prowadzono przez 8 h. Po tym czasie ekstrakt sch³odzono, a nastêpnie przeniesiono iloœciowo do naczyñ ZYMARC i zatê ono w atmosferze azotu w aparacie T-Vap. Zatê ony ekstrakt przeniesiono do wialek szklanych i ponownie zatê ono do objêtoœci ok. 1 cm!. Tak przygotowany ekstrakt poddano analizie chromatograficznej. 2.4. Okreœlenie stopni odzysku dla próbek wzbogacanych Próbki gleby wzbogacono wzorcem w iloœci 20 ìg ka dego z WWA. Nastêpnie przeprowadzono ekstrakcjê zgodnie z procedur¹ opisan¹ w punkcie 2.3. Ekstrakty poddano analizie metod¹ chromatografii gazowej z wykorzystaniem dwóch detektorów: spektrometrii mas oraz p³omieniowo-jonizacyjnym. Na podstawie analiz chromatograficznych obliczono stopnie odzysku dla obu detektorów. Na rycinach 5 i 6 przedstawiono dwa chromatogramy mieszaniny wzorcowej o stê eniu 20 ìg/cm! wykonane metod¹ chromatografii gazowej detektorów MS i FID. Ryc. 5. Chromatogram mieszaniny wzorcowej o stê eniu 20 ìg/cm! dla metody GC-MS

OZNACZANIE WIELOPIERŒCIENIOWYCH WÊGLOWODORÓW AROMATYCZNYCH W STA YCH... 161 Ryc. 6. Chromatogram mieszaniny wzorcowej o stê eniu 20 ìg/cm 3 dla metody GC-FID Wyniki badania odzysku WWA z próbek gleby dla dwóch detektorów przedstawia tabela 1. T a b e l a 1 Stopnie odzysku dla poszczególnych poziomów stê eñ przy wykorzystaniu ekstrakcji na ciep³o Wêglowodór Stopnie odzysku dla metody GC-MS [%] Stopnie odzysku dla metody GC-FID * [%] Naftalen 100 74 Fenantren 98 84 Antracen 99 82 Fluoranten 86 87 Benzo(a)antracen 71 101 Chryzen 70 94 Benzo(b)fluoranten 65 Benzo(a)piren 66 90 Benzo(ghi)perylen 66 112 * Brak mo liwoœci odczytania wyniku dla benzo(b)fluorantenem metod¹ GC-FID spowodowany by³ na³o eniem siê pików benzo(b)fluorantenu i benzo(k)fluorantenu.

162 MARTA BO YM, JOANNA POLUSZYÑSKA, IRENA S AWIÑSKA, JOLANTA DWOJAK 3. Omówienie wyników Dla metody GC-MS wartoœci odzysku kszta³towa³y siê na poziomie od 65 do 100%. Niskie stopnie odzysku (poni ej 70%) zaobserwowano dla zwi¹zków o wy szej liczbie atomowej: benzo(b)fluoranten 65%, benzo(a)piren 66%, benzo(ghi)perylen 66%. Poza wymienionymi wy ej zwi¹zkami, wartoœci odzysku uzyskane dla metody GC-MS zawieraj¹ siê w dolnym zakresie, ogólnie przyjêtym dla chromatografii gazowej (70 120%). Dla metody GC-FID wartoœci odzysku kszta³towa³y siê na poziomie od 74 do 112%. W metodzie tej otrzymano wy sze wartoœci odzysku dla wêglowodorów o wy szej liczbie masowej. Odwrotnie ni w metodzie GC-MS. Nieco gorsze wyniki przy u yciu metody GC-MS w porównaniu z GC-FID mog³y byæ pochodn¹ problemów z detektorem MS, które wyst¹pi³y podczas badañ. Mo na jednak przyj¹æ je jako satysfakcjonuj¹ce. Identyfikacja niektórych zwi¹zków metod¹ GC-FID nastrêcza wiele problemów. Ze wzglêdu na zbli one czasy retencji dla benzo(b)fluorantenu i benzo(k)fluorantenu obserwujemy czêsto nak³adanie siê pików, co uniemo liwia ich integracjê, a co za tym idzie jednoznaczn¹ identyfikacjê w próbce. Metoda GC-MS w przypadku oznaczania WWA w glebie okaza³a siê bardziej selektywna. Œwiadczy to o tym, e za jej pomoc¹ mo na jednoznacznie stwierdziæ istnienie danego zwi¹zku w badanej próbce. Jest wiêc znakomit¹ metod¹ do oznaczania jakoœciowego WWA w glebach, które stanowi¹ doœæ trudn¹ matrycê do analizy zwi¹zków organicznych. Ze wzglêdu na nieco gorsze wyniki dla oznaczania stopni odzysku, lepsz¹ metod¹ do oznaczania iloœciowego WWA okaza³a siê byæ metoda GC-FID. 4. Wnioski 1. Opracowana metoda identyfikacji WWA przy u yciu chromatografu gazowego z detektorem MS mo e byæ wykorzystana do jakoœciowego oznaczania tych zwi¹zków. 2. Metoda GC-MS mo e s³u yæ tak e jako wstêpna metoda screeningowa do iloœciowego oznaczania WWA w glebach, przy jednoczesnym wykorzystaniu GC-FID. 3. Wyznaczone stopnie odzysku dla metody GC-MS waha³y siê w granicach 65 100%, z tendencj¹ malej¹c¹ dla wêglowodorów o wy szej liczbie masowej. Bardziej zadowalaj¹ce stopnie odzysku osi¹gniêto przy u yciu metody GC-FID.

OZNACZANIE WIELOPIERŒCIENIOWYCH WÊGLOWODORÓW AROMATYCZNYCH W STA YCH... 163 Literatura [1] D o j l i d o J.R., Chemia wód powierzchniowych, Wyd. Ekonomii Œrodowiska, Warszawa 1995. [2] D o j l i d o J.R., Z e r b e J., Instrumentalne metody badania wody i œcieków, Arkady, Warszawa 1997. [3] H e r m a n o w i c z W., D o j l i d o J., D o a ñ s k a W., K o s i o r o w s k i B., Z e r b e J., Fizyczno-chemiczne badanie wody i œcieków, Arkady, Warszawa 1999. [4] J e s i o n e k M.L., O d z i m e k J., Z e m e ³ a - K ³ o s A., WWA w powietrzu miejskim, [w:] Materia³y Konferencji Naukowej, Mikrozanieczyszczenia w œrodowisku cz³owieka, Wyd. Politechniki Czêstochowskiej, Czêstochowa Ustroñ 2002, s. 212 215. [5] P a r k K.S., S i m s R.S., D u p o n t R.R., D o u c e t t e W.J., M a t h e w s J.E., Fate of polycyclic aromatic hydrocarbon compounds in two soil type: Influence of volatilization, abiotic loss and biological activity, Environmental Toxicology Chemistry 1990, Vol. 9, s. 187 195. [6] P o l u s z y ñ s k a J., S z t a m b e r e k - G o l a I., W r ó b l e w s k a L., Walidacja metod oznaczania wêglowodorów monoaromatycznych (BTX) i wielopierœcieniowych wêglowodorów aromatycznych (WWA) w glebie metod¹ chromatografii gazowej z detekcj¹ FID, Prace badawcze IMMB, Opole 2005. [7] P o p e n d a A., M a l i n a G., Wielopierœcieniowe wêglowodory aromatyczne (WWA) w œrodowisku gruntowo-wodnym w Polsce w œwietle przepisów Unii Europejskiej, [w:] Materia³y Konferencji Naukowej, Mikrozanieczyszczenia w œrodowisku w œwietle przepisów UE, Wyd. Politechniki Czêstochowskiej, Czêstochowa Ustroñ 2000, s. 250 257. [8] P o s s a n z i n i M., D i P a l o V., G i g l i u c c i P., S c i a n o M.., C e c i n a t o A., Determination of phase-distributed PAH in Rome ambient air by denuder/gc-ms method, Atmospheric Environment 2004, Vol. 38, s. 1727 1734. [9] R e j m a n W., Zanieczyszczenia œrodowiska gruntowo-wodnego przez WWA, Gospodarka Wodna 1999, nr 5, s. 182 184. [10] Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska w sprawie standardów jakoœci gleby oraz standardów jakoœci ziemi z dnia 9 wrzeœnia 2002 r. Dz.U. 2002 r., nr 165, poz. 1359. [11] Œ w i e t l i k R., K o w a l c z y k D. Normatywy i metody badañ wielopierœcieniowych wêglowodorów aromatycznych, Analityka 2008, nr 3, s. 36 41. MARTA BO YM JOANNA POLUSZYÑSKA IRENA S AWIÑSKA JOLANTA DWOJAK DETERMINATION OD PAH FROM ENVIRONMENTAL SOLID SAMPLES WITH USE GAS CHROMATOGRAPHY WITH MASS SPECTROMETRY Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are existing in all elements of environment (including air, water and soil). The gas chromatographies with flame ionisation detection (FID) and mass spectrometry (MS) as well as liquid chromatography (HPLC) are the most general methods to determinate of PAHs.

164 MARTA BO YM, JOANNA POLUSZYÑSKA, IRENA S AWIÑSKA, JOLANTA DWOJAK In this paper a results of research of PAHs in solid environmental samples were presented. The method used to determination of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), with using GC-MS, in environmental solid samples was the new method studied in Laboratory. These researches contain calibration of instruments (gas chromatograph with mass spectrometry) with use PAHs mixture standards and determination of limit of detection and limit of quantification of PAHs standards. The two methods of determination of PAHs, GC-MS and GC-FID were compare.