KATEDRA CHEMII ANALITYCZNEJ WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKA GDAŃSKA

KATEDRA CHEMII ANALITYCZNEJ WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKA GDAŃSKA mgr inż. NATALIA JAKUBOWSKA WYKORZYSTANIE BEZROZPUSZCZALNIKOWYCH TECHNIK PRZYGOTOWANIA PRÓBEK W PROCEDURACH OZNACZANIA LOTNYCH ZWIĄZKÓW CHLOROWCOORGANICZNYCH W PRÓBKACH PŁYNÓW BIOLOGICZNYCH ROZPRAWA DOKTORSKA PROMOTOR PRACY: prof. dr hab. inż. Jacek Namieśnik GDAŃSK 2008 1

SPIS TREŚCI WYKAZ SKRÓTÓW I AKRONIMÓW...4 WSTĘP...6 I CZĘŚĆ TEORETYCZNA...8 1 LOTNE ZWIĄZKI CHLOROWCOORGANICZNE ŹRÓDŁA NARAŻENIA...8 1.1 EKSPOZYCJA ENDEMICZNA NA LOTNE ZWIĄZKI CHLOROWCOORGANICZNE...9 1.2 EKSPOZYCJA ZAWODOWA...10 2 TYPY PRALNI...11 2.1 PRALNIA CHEMICZNA - ZAKŁADY CZYSZCZENIA CHEMICZNEGO...12 3 OZNACZANIE LOTNYCH ZWIĄZKÓW CHLOROWCOORGANICZNYCH W PRÓBKACH PŁYNÓW BIOLOGICZNYCH...13 3.1 EKSTRAKCJA MEMBRANOWA...22 3.1.1 EKSTRAKCJA Z WYKORZYSTANIEM UNIERUCHOMIONYCH MEMBRAN CIEKŁYCH...24 3.1.2 EKSTRAKCJA CIECZ-CIECZ Z ZASTOSOWANIEM MEMBRANY MIKROPOROWATEJ...26 3.1.3 EKSTRAKCJA Z WYKORZYSTANIEM MEMBRAN POLIMEROWYCH...27 3.1.3.1 EKSTRAKCJA MEMBRANOWA POŁĄCZONA Z ABSORPCJĄ ANALITÓW W ROZPUSZCZALNIKU...28 3.1.4 EKSTRAKCJA MEMBRANOWA W POŁĄCZENIU Z ADSORPCJĄ ANALITÓW NA ZŁOŻU STAŁEGO SORBENTA...29 3.1.5 SPEKTROMETRIA MAS Z WLOTEM MEMBRANOWYM...29 3.1.6 PERWAPORACJA...30 3.2 PRZEGLĄD INFORMACJI LITERATUROWYCH...34 II CEL I ZAKRES PRACY...39 III CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA...41 1 WZORCE I ROZTWORY WZORCOWE...41 2 APARATURA...44 3 PARAMETRY PRACY ZESTAWU POMIAROWEGO...45 4 WALIDACJA PROCEDURY PV-DAI-GC-ECD...47 4.1 SCHEMAT PRZEBIEGU PROCESU PERWAPORACJI (PV)...48 4.2 KRZYWE KALIBRACYJNE...49 4.2.1 KALIBRACJA ZESTAWU DAI-GC-ECD...51 4.2.2 KALIBRACJA ZESTAWU PV-DAI-GC-ECD...51 4.3 PODSTAWOWE PARAMETRY WALIDACYJNE...52 4.3.1 LINIOWOŚĆ...52 4.3.2 GRANICA WYKRYWALNOŚCI PROCEDURY PV-DAI-GC-ECD...53 4.3.3 POWTARZALNOŚĆ I PRECYZJA POŚREDNIA...54 4.3.4 NIEPEWNOŚĆ...55 4.3.5 STOPIEŃ WZBOGACENIA...58 4.3.6 PORÓWNANIE PRECYZJI I DOKŁADNOŚCI WYNIKÓW OZNACZANIA ANALITÓW Z GRUPY LOTNYCH ZWIĄZKÓW CHLOROWCOORGANICZNYCH W PRÓBKACH WODY I MOCZU LUDZKIEGO...58 4.4 PORÓWNANIE PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW WALIDACYJNYCH PROCEDURY PV-DAI-GC-ECD (PRZED I PO MINIATURYZACJI ZBIORNIKA NADAWY)...59 4.5 WNIOSKI...60 2

SPIS TREŚCI 5 PORÓWNANIE PRZYDATNOŚCI METODYK PV-DAI-GC-ECD I TLHS-DAI-GC-ECD ZE STANDARDOWĄ METODYKĄ HS-GC-ECD DO OZNACZANIA ZAWARTOŚCI LOTNYCH ZWIĄZKÓW CHLOROWCOORGANICZNYCH W PRÓBKACH WODY I MOCZU LUDZKIEGO...62 6 OPTYMALIZACJA PROCEDURY SBSE-TD-GC-HRMS...65 6.1 SCHEMAT I OGÓLNE ZAŁOŻENIA PROCEDURY SBSE-TD-GC-HRMS...65 6.2 KONDYCJONOWANIE RUCHOMYCH ELEMENTÓW SORPCYJNYCH TYPU TWISTER TM...66 6.3 TEORETYCZNY ODZYSK LOTNYCH ZWIĄZKÓW CHLOROWCOORGANICZNYCH Z RUCHOMEGO ELEMENTU SORPCYJNEGO...67 6.4 OPTYMALIZACJA ETAPU EKSTRAKCJI LOTNYCH ZWIĄZKÓW CHLOROWCOORGANICZNYCH Z PRÓBEK CIEKŁYCH ZA POMOCĄ RUCHOMEGO ELEMENTU SORPCYJNEGO TYPU TWISTER TM...68 6.5 KALIBRACJA ZESTAWU SBSE-TD-GC-HRMS WYZNACZENIE ZAKRESU LINIOWOŚCI..68 6.6 GRANICA WYKRYWALNOŚCI I OZNACZALNOŚCI METODYKI SBSE-TD-GC-HRMS...69 6.7 OZNACZANIE LOTNYCH ZWIĄZKÓW CHLOROWCOORGANICZNYCH W PRÓBKACH WODY I MOCZU LUDZKIEGO...70 6.8 WNIOSKI...72 7 ANALIZA PRÓBEK MOCZU LUDZKIEGO NA ZAWARTOŚĆ LOTNYCH ZWIĄZKÓW CHLOROWCOORGANICZNYCH POCHODZĄCYCH OD OSÓB NARAŻONYCH NA EKSPOZYCJE ZAWODOWĄ Z WYKORZYSTANIEM PROCEDURY TLHS-DAI-GC-ECD...73 7.1 SCHEMAT I OGÓLNE ZAŁOŻENIA PROCEDURY TLHS-DAI-GC-ECD...73 7.2 ANALIZA PRÓBEK MOCZU...75 7.3 SPOSÓB POBIERANIE PRÓBEK...76 7.4 WYNIKI...79 7.5 WNIOSKI...97 8 WNIOSKI OGÓLNE...98 IV LITERATURA...99 V STRESZCZENIE...112 VI ABSTRACT...114 VII DOROBEK NAUKOWY...116 3

SPIS SKRÓTÓW I AKRONIMÓW WYKAZ SKRÓTÓW I AKRONIMÓW Akronim Termin anglojęzyczny Termin polskojęzyczny CLSA Closed Loop Stripping Analysis Wyłapywanie i wychwytywanie analitów z zamkniętym obiegiem strumienia gazu płuczącego CV Coefficient of variation Współczynnik zmienności DAI Direct Aqueous Injection Technika bezpośredniego dozowania próbki do kolumny chromatografu gazowego DHS Dynamic Headspace Analiza fazy nadpowierzchniowej w układzie dynamicznym ECD Electron Capture Detector Detektor wychwytu elektronów EF Enrichment Factor Stopień wzbogacenia FID Flame Ionization Detector Detektor płomieniowo - jonizacyjny FTIR Fourier Transform InfraRed Spectroscopy Spektroskopia promieniowania IR z transformacją Fouriera GC Gas Chromatography Chromatografia gazowa GC-MS Gas Chromatography-Mass Spectrometry Chromatografia gazowa sprzężona ze spektrometrią mas GLC Gas-Liquid Chromatography Chromatografia gazowo-cieczowa GUM Guide to the Expression of Przewodnik Szacowania Niepewności Pomiaru Uncertainty in Measurement HS Headspace Technika analizy fazy nadpowierzchniowej IEC International Electrotechnical Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna Commission ISO International Organization for Międzynarodowa Organizacja Standaryzacyjna Standardization IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej K ow Octanol/Water Partition Współczynnik podziału oktanol/woda Coeficient LC Liquid Chromatography Chromatografia cieczowa LLE Liquid-liquid extraction Ekstrakcja ciecz-ciecz LOD Limit of Detection Granica wykrywalności LOQ Limit of Quantification Granica oznaczalności MESI Membrane Extraction with Sorbent Interface Ekstrakcja membranowa w połączeniu z ekstrakcją do fazy stałej MIMS Membrane Inlet Mass Spektrometria mas z wlotem membranowym Spectrometry MMLLE Microporous Membrane Liquid Liquid Extraction Ekstrakcja ciecz-ciecz z zastosowaniem mikroporowatej membrany MS Mass Spectrometry Spektrometria mass NMR Nuclear Magnetic Resonance Magnetyczny rezonans jądrowy n.o - Nie oznaczono n.w - Nie wykryto PDMS Polidimethylsiloxane Polidimetylosiloksan PEBA Poly(ether-block-amide) Polietero-b-poliamidowa PME Polymeric Membrane Extraction Ekstrakcja membranowa z wykorzystaniem membran polimerowych POMS Poly(octylmethylsiloxane) Polioktylometylosiloksan 4

SPIS SKRÓTÓW I AKRONIMÓW POMS Poly(octylmethylsiloxane) - Poli(oktylometylosiloksan) - poli(eteroimid) PEI poly(etherimide) ppb Part per bilion Jednostka stężenia [μg/kg] ppt Part per trillion Jednostka stężenia [ng/kg] PT Purge and Trap Wypłukiwanie analitów z ich wychwytywaniem na złożu stałego sorbentu PTFE Polytetrafluoroethylene Politetrafluoroetylen PV Pervaporation Perwaporacja PVDF Polyvinylidene Fluoride Fluorek poliwinylidenu QA/QC Quality Assessment/Quality Kontrola i zapewnienie jakosci Control RSD Relative Standard Deviation Względne odchylenie standardowe SBSE Stir Bar Sorptive Extraction Ekstrakcja z wykorzystaniem ruchomego elementu ekstrakcyjnego SD Standard Deviation Odchylenie standardowe SHS Static headspace Analiza fazy nadpowierzchniowej w układzie statycznym SLM Supported Liquid Membrane Ekstrakcja membranowa z wykorzystaniem unieruchomionych membran ciekłych S/N Signal/Noise Sygnał/Szum SPE Solid Phase Extraction Ekstrakcja do fazy stałej SPME Solid Phase Mictroextraction Mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej TD Thermal Desorption Desorpcja termiczna THM Trihalomethanes Trihalometany TLHS Thin Layer Headspace Analiza fazy nadpowierzchniowej nad cienkim filmem cieczy WCOT Wall Coated Open Tube Kolumna ze ścianką pokrytą fazą stacjonarną VOC Volatile Organic Compounds Lotne związki organiczne VOX Volatile Halogenorganic Compounds Lotne związki halogenoorganiczne (chlorowcoorganiczne) 5

WSTĘP WSTĘP Człowiek narażony jest na działanie czynników fizycznych, chemicznych i biologicznych pochodzenia zarówno naturalnego, jak i będących skutkiem ubocznym różnych przejawów działalności człowieka. Produkcja i stosowanie nowych, różnorodnych substancji chemicznych w przemyśle oraz warunki pracy mogą przyczyniać się do szkodliwego oddziaływania tych związków na zdrowie człowieka. Ciągle jest więc aktualny problem oceny ryzyka zawodowego związanego z narażeniem pracowników na czynniki chemiczne w środowisku pracy. Już od dłuższego czasu daje się zaobserwować prężny rozwój tej branży przemysłu pralniczego, która jest związana z operacjami czyszczenia chemicznego. Pracownicy tych zakładów są często narażeni na kontakt z szeroką gamą chemicznych środków czyszczących, które mogą powodować różnorodne problemy zdrowotne. Środki czyszczące stosowane w pralniach chemicznych zawierają głównie lotne związki chlorowcoorganiczne, które stanowią poważne zagrożenie zarówno dla środowiska jak i dla zdrowia człowieka [1,2]. Badania prowadzone w wielu ośrodkach na świecie wykazały, że związki te mogą ulegać kumulacji w różnych tkankach organizmów żywych, lub też podlegają one wydaleniu w postaci niezmienionej, albo jako produkty metabolizmu (wraz z moczem, śliną i potem) [3-10]. Analiza próbek płynów biologicznych takich jak mocz jest zadaniem trudnym i skomplikowanym ze względu na: dużą różnorodność ksenobiotyków i ich produktów metabolizmu; zróżnicowane poziomy zawartości analitów; dużą lotność części składników; możliwość występowania substancji przeszkadzających (interferentów) na poziomach stężeń znacznie wyższych niż zawartość analitów; utrudniony dostęp, a często i brak odpowiednich wzorców i materiałów odniesienia. Podstawowym elementem przygotowania ciekłych próbek biologicznych do analizy jest etap izolacji i/lub wzbogacania polegający na przeniesieniu analitów z matrycy pierwotnej charakteryzującej się złożonym i często zmiennym składem, do matrycy wtórnej z równoczesnym usunięciem substancji przeszkadzających i zwiększeniem stężenia analitów do poziomu powyżej granicy oznaczalności stosowanego przyrządu kontrolno 6

WSTĘP pomiarowego (wzbogacanie). Operacje te są zazwyczaj bardzo praco- i czasochłonne i mogą być źródłem wielu błędów i stanowią duże wyzwanie dla analityków. Trwają więc prace nad opracowaniem nowych rozwiązań metodycznych i aparaturowych, które będą mogły spełnić coraz ostrzejsze oczekiwania zarówno analityków, jak i odbiorców wyników analitycznych, i pozwolą na uzyskanie wyników będących źródłem wiarygodnych informacji analitycznych [11-15]. Nowe procedury analityczne powinny łączyć w sobie następujące cechy: ilościowe i selektywne przeniesienie analitów do matrycy o możliwie najprostszym składzie; duży stopień wzbogacenia analitów w matrycy odbierającej; ograniczenie zużycia lub całkowite wyeliminowanie rozpuszczalników organicznych z toku postępowania analitycznego; łatwość automatyzacji oraz możliwość prostego połączenia technik izolacji i/lub wzbogacenia analitów z technikami oznaczeń końcowych; prostota operacji wprowadzania próbki do urządzenia pomiarowego, wyposażonego w czuły i możliwie selektywny detektor. W ciągu ostatnich lat zwrócono szczególną uwagę na możliwość wykorzystania w praktyce tzw. bezrozpuszczalnikowych technik izolacji i/lub wzbogacania analitów [16-22] tj. technik opartych na: wykorzystaniu strumienia gazu w stanie nadkrytycznym, jako czynnika ekstrakcyjnego; zastosowaniu ekstrakcji membranowej; wykorzystaniu strumienia gazu do izolacji analitów z próbki ciekłej; zastosowaniu techniki ekstrakcji do fazy stałej w połączeniu z desorpcją termiczną, jako sposobu uwalniania analitów zatrzymanych na złożu sorbentu. Do tzw. zielonych technik przygotowania próbek do oznaczeń końcowych można również zaliczyć techniki wykorzystane w badaniach i opisane w rozprawie doktorskiej, a mianowicie: technika analizy fazy nadpowierzchniowej nad cienką warstwą cieczy z autogeniczną generacją strumienia ciekłego sorbentu; techniki membranowe, w których stosuje się półprzepuszczalne membrany wykonane z polidimetylosiloksanu (technika perwaporacji oraz technika oparta na wykorzystaniu ruchomego elementu sorpcyjnego typu Twister TM ). 7

CZĘŚĆ TEORETYCZNA I CZĘŚĆ TEORETYCZNA 1 LOTNE ZWIĄZKI CHLOROWCOORGANICZNE ŹRÓDŁA NARAŻENIA Problem zanieczyszczenia środowiska znany jest od dawna, ale w sposób niezwykle szybki zaczął narastać po II wojnie światowej, równocześnie z rozwojem przemysłu, w tym także różnych branż przemysłu chemicznego. Wśród zanieczyszczeń szczególne miejsce zajmują lotne związki chlorowcoorganiczne, które stanowią istotną grupę zanieczyszczeń ze względu na: powszechność stosowania; trwałość w środowisku; właściwości toksyczne i ekotoksyczne. Lotne związki chlorowcoorganiczne wykorzystuje się głównie jako środki czyszczące, czynniki porogenne, modyfikatory w procesie polimeryzacji i środki chłodnicze. Równie często wykorzystuje się je jako rozpuszczalniki i wtedy znaczne ich ilości trafiają do ścieków i do atmosfery, z której podczas opadów wypłukiwane są do wód powierzchniowych. Lotne związki chlorowcoorganiczne powstają również w procesie uzdatniania wody poprzez chlorowanie (woda do picia i na potrzeby gospodarcze, baseny pływackie). Zanieczyszczenia obecne w części nieożywionej środowiska oddziaływują na organizmy żywe w tym także na ludzi [23-35]. Można wyróżnić trzy podstawowe rodzaje narażenia (ekspozycji) w wyniku, których do organizmu człowieka mogą dostawać się zanieczyszczenia obecne w środowisku: ekspozycja katastrofalna związana z występowaniem różnego typu katastrof ekologicznych; ekspozycja endemiczna związana z kontaktem człowieka ze środowiskiem (woda pitna, powietrze wewnętrzne, powietrze atmosferyczne) oraz ze spożywaniem produktów żywnościowych; ekspozycja zawodowa związana z wykonywaniem określonych operacji i czynności na stanowisku pracy (laboratoria chemiczne, pralnie itp.). Na Rysunku 1 przedstawiono potencjalne drogi przenikania lotnych związków chlorowcoorganicznych do organizmu ludzkiego. 8

CZĘŚĆ TEORETYCZNA 1.1 EKSPOZYCJA ENDEMICZNA NA LOTNE ZWIĄZKI CHLOROWCOORGANICZNE Ekspozycja endemiczna związana jest z kontaktem człowieka ze środowiskiem (woda pitna, powietrze wewnętrzne, powietrze atmosferyczne) oraz ze spożywaniem produktów żywnościowych. Rysunek 1. Główne źródła narażenia człowieka na lotne związki chlorowcoorganiczne Lotne związki chlorowcoorganiczne mogą dostawać się do organizmu ludzkiego m.in. w trakcie spożywania wody pitnej otrzymywanej w wyniku uzdatniania przez chlorowanie. Ze względu na swoją lotność (temperatury wrzenia w granicach od 40ºC do 117ºC) w trakcie kąpieli w wannie, pod prysznicem, na basenie oraz podczas prania ręcznego oraz mycia naczyń przedostają się z wody do otaczającego powietrza i dostają się do płuc wraz z wdychanym powietrzem. W momencie kontaktu z chlorowaną wodą, lotne związki chlorowcoorganiczne, szczególnie w podwyższonej temperaturze przenikają do organizmu również przez skórę. Badanie narażenia endemicznego na tego typu ksenobiotyki sprowadza się do monitorowania poziomów stężeń związków należących do grypy THM w wodzie pitnej, oraz badaniu płynów biologicznych (moczu i krwi na pozostałość tych związków 9

CZĘŚĆ TEORETYCZNA w organizmie człowieka). W literaturze dostępne są informacje na temat wyników tego typu badań [36-45]. 1.2 EKSPOZYCJA ZAWODOWA Podczas pracy zawodowej ludzie stykają się z różnorodnymi substancjami chemicznymi. W przemyśle, w pralniach chemicznych, jak i laboratoriach chemicznych bardzo często wykorzystuje się rozpuszczalniki organiczne do: czyszczenia zabrudzonej odzieży; rozpuszczania i rozcieńczania substratów i produktów; sporządzania roztworów wzorcowych; przygotowania próbek do analizy (np. ekstrakcja analitów w układzie ciecz-ciecz, czy też ekstrakcji ciało stałe-ciecz). Wśród nich dużą grupę stanowią lotne związki chlorowcoorganiczne. Osoby narażone na działanie tych związków w przemyśle należą do dwóch grup. Grupa pierwsza to pracownicy stykający się z tymi związkami w czasie: produkcji; konfekcjonowania; magazynowania; przygotowania do użycia; stosowania; utylizacji odpadów i przeterminowanych produktów. Zaś grupa druga to ci, którzy wchodzą w kontakt z tymi środkami przypadkowo, w wyniku: niewłaściwego przechowywania odpowiednich preparatów; korzystania z zanieczyszczonego środowiska (powietrze, woda pitna, żywność). Oszacowanie narażenia zarówno zawodowego, jak i endemicznego związane jest z pobraniem odpowiednich próbek powietrza (atmosfera na stanowisku pracy, powietrze wewnętrzne, powietrze atmosferyczne, powietrze wydychane przez człowieka), moczu, krwi, a w przypadku narażenia długoterminowego również włosów, paznokci i fragmentów skóry [46-48]. W ostatnich latach prężnie rozwija się branża przemysłu pralniczego związana z czyszczeniem chemicznym. Do zadań pracowników pralni chemicznej należy usuwanie brudu i plam z ubrań i tkanin przy zastosowaniu rozpuszczalników chlorowcoorganicznych. 10

CZĘŚĆ TEORETYCZNA Pracownicy tych zakładów są często narażeni na kontakt z szeroką gamą chemicznych środków czyszczących, które mogą powodować różnorodne problemy zdrowotne [6,49,50]. 2 TYPY PRALNI Wyroby włókiennicze w trakcie użytkowania ulegają zanieczyszczeniom lub utracie innych cech decydujących o ich przydatności do określonych potrzeb człowieka. Jednym z podstawowych zabiegów związanych z konserwacją wyrobów włókienniczych jest pranie, zarówno w roztworach wodnych jak i kąpielach rozpuszczalnikowych (czyszczenie chemiczne). Pod pojęciem pranie rozumie się na ogół usuwanie z wyrobów włókienniczych wszelkich zabrudzeń naniesionych na nie w czasie użytkowania. Celem zabiegów pralniczych jest więc przywrócenie wartości użytkowych tym wyrobom. Dla osiągnięcia trwałości pranych przedmiotów konieczne jest stosowanie odpowiednio zachowanych i ekonomicznie racjonalnych środków i metod technologicznych w procesie ich pralniczej konserwacji. Miejsca, gdzie dokonywane są zabiegi konserwacyjne na większą niż domowa skalę, nazywane są zakładami konserwacji wyrobów włókienniczych, a potocznie pralniami. Zakłady pralnicze można podzielić zarówno ze względu na zakres świadczonych usług i ich odbiorców, jak i sposób konserwacji wyrobów włókienniczych. Można wyróżnić następujące typy pralni: pralnie szpitalne; pralnie hotelowe; pralnie wojskowe; pralnie zakładowe; pralnie komercyjne, itp. W przypadku działalności pralniczej na dużą skalę (skala przemysłowa) konserwacja wyrobów włókienniczych obejmuje dwa różne procesy technologiczne prowadzące do tego samego celu, ale różniące się środowiskiem, w którym prowadzony jest proces prania: pralnie wodne; pranie chemiczne prowadzone w środowisku rozpuszczalników organicznych. Proces ten często znany jest również jako czyszczenie chemiczne lub pranie na sucho. 11

CZĘŚĆ TEORETYCZNA Proces prania przeprowadza się w wodnych roztworach środków piorących zwanych ogólnie kąpielami piorącymi. Po etapie prania następują procesy wykończania, na które składają się takie operacje jak: podsuszanie; suszenie; prasowanie; formowanie; oraz niekiedy wyjaławianie i dezynfekcja. Po nich następują procesy pomocnicze: jak znakowanie, pakowanie czy naprawa (reperacja) uszkodzonej bielizny. Proces czyszczenia odzieży przeprowadza się w kąpielach rozpuszczalnikowych. Po czyszczeniu odzieży w rozpuszczalniku następują procesy wykończania, na które składają się: suszenie; wietrzenie; odplamianie końcowe; prasowanie; formowanie; parowanie; i kondycjonowanie. Pracownicy pralni chemicznych są w największym stopniu narażeni na szkodliwe działanie lotnych rozpuszczalników chlorowcoorganicznych, najczęściej roztworów tetrachloroetylenu (zwanego również tetrachloroetenem lub perchloroetylenem) i związków z grupy trihalometanow (chlroroform, bromodichlorometan, dibromochlorometan i bromoform) [51-58]. 2.1 PRALNIA CHEMICZNA - ZAKŁADY CZYSZCZENIA CHEMICZNEGO Zakłady czyszczenia chemicznego to obiekty, w których następuje proces czyszczenia odzieży w technologii rozpuszczalnikowej ("na sucho"). Wśród zakładów czyszczenia chemicznego można wyróżnić następujące zasadnicze typu zakładów: przemysłowe (centralne) - stanowią obiekty, w których realizuje się pełny proces technologiczny czyszczenia w warunkach przemysłowych (na dużą skalę). Obiekty tego typu znajdują się zazwyczaj w budynkach o dużej powierzchni, 12

CZĘŚĆ TEORETYCZNA ponieważ wyposażenie technologiczne stanowią maszyny o dużych ładownościach (przerobach). Nieraz powiązane są technologicznie z farbiarniami. Zakłady typu centralnego są to zakłady duże, często z dodatkowymi specjalizacjami (czyszczenie wyrobów ze skór, futer, dywanów czy wykładzin podłogowych), świadczące usługi dla dużego grona odbiorców; sklepowe - są przeznaczone do obsługi rejonu (dzielnicy, osiedla), w którym są zlokalizowane. Przeważnie mieszczą się w pawilonach, blokach (w części usługowej), domach lub jako wolnostojące pawilony. Są przeznaczone wyłącznie do obsługi odbiorców indywidualnych oraz przystosowane do wykonywania usług ekspresowych. Odzież przyjmowana jest bezpośrednio w zakładzie. Wyposażone są przeważnie w jeden agregat o niewielkiej ładowności i zestaw urządzeń do wykańczania odzieży; punkty zleceń, są to miejsca z których odzież co pewien czas jest zabierana transportem przedsiębiorstwa i dowożona do zakładu pralniczego (centralnego). Procesy technologiczne są tu zorganizowane na skalę przemysłową. Usługi świadczone są dla odbiorców indywidualnych oraz zbiorowych. Procesy technologiczne są tu zorganizowane na skalę przemysłową. 3 OZNACZANIE LOTNYCH ZWIĄZKÓW CHLOROWCOORGANICZNYCH W PRÓBKACH PŁYNÓW BIOLOGICZNYCH Badania analityczne ukierunkowane na oznaczanie lotnych związków chlorowcoorganicznych w próbkach płynów biologicznych człowieka, wbrew pozorom nie są sprawą łatwą [1]. Jako najważniejsze wyzwania można traktować: niskie i bardzo niskie poziomy stężeń analitów w próbkach płynów biologicznych; możliwość interferencji od innych składników organicznych obecnych w tego typu próbkach; możliwość utraty części analitów w trakcie przechowywania i przygotowania próbek do analizy (wysoka lotność); brak materiałów odniesienia niezbędnych do walidacji wykorzystanych procedur analitycznych i kalibracji przyrządów kontrolno-pomiarowych. Podstawowym elementem przygotowania ciekłych próbek biologicznych do analizy jest etap izolacji i/lub wzbogacania polegający na przeniesieniu analitów z matrycy pierwotnej 13

CZĘŚĆ TEORETYCZNA charakteryzującej się złożonym i często zmiennym składem (próbka oryginalna) do matrycy wtórnej z równoczesnym usunięciem substancji przeszkadzających (izolacja) i zwiększeniem stężenia analitów do poziomu powyżej granicy oznaczalności stosowanego przyrządu kontrolno pomiarowego (wzbogacanie). Bardzo ważną rolę na etapie izolacji i wzbogacania analitów z próbek płynów biologicznych odgrywają jednoetapowe techniki co jest związane z coraz powszechniej akceptowanymi zasadami zielonej chemii analitycznej, wypływającymi z ogólnej koncepcji rozwoju zrównoważonego. Pojawiło się wiele rozwiązań metodycznych, które spełniają wymogi jakim powinny odpowiadać tego typu techniki [59-68]. Jako typowe przykłady należy w tym miejscu wymienić: ekstrakcję za pomocą strumienia gazu (SHS, TLHS, PT, CLSA); ekstrakcję do fazy stałej (SPE, SPME); ekstrakcję z wykorzystaniem membran (np. MIMS, PV, SBSE); ekstrakcję za pomocą płynu w stanie nadkrytycznym (SFE). W Tabeli 1 zebrano najważniejsze informacje dotyczące najczęściej stosowanych technik izolacji i/lub wzbogacania analitów organicznych z próbek ciekłych. 14

Tabela 1. Informacje dotyczące poszczególnych technik izolacji i/lub wzbogacania związków chlorowcorganicznych, które mogą być wykorzystane w badaniach próbek płynów biologicznych Technika Opis Zalety Wady Lit. Techniki analizy fazy nadpowierzchniowej oparte są na wykorzystaniu zjawiska podziału analitów pomiędzy fazę ciekłą i gazową. Zawartość analitu w próbce w postaci fazy skondensowanej określa się analizując fazę nadpowierzchniową fazę gazową, która jest lub była w kontakcie z analizowaną próbką, najbardziej efektywne uwalnianie z fazy ciekłej jest możliwe dla lotnych, średniolotnych, niepolarnych lub słabo polarnych związków organicznych. Ekstrakcja do fazy gazowej Analiza fazy nadpowierzchniowej w układzie statycznym (HS) Obie stykające się ze sobą fazy wodna (próbka) i gazowa (matryca odbierająca) są nieruchome, proces analizy jest dwuetapowy badaną próbkę umieszcza się w zamkniętym naczyniu o stałej temperaturze i pobiera do analizy fazę nadpowierzchniową dopiero po osiągnięciu stanu równowagi termodynamicznej. Próbkę do analizy pobiera się ręcznie lub automatycznie (Rys. 2). T const 1 3 Rysunek 2. Schemat zestawu aparaturowego do analizy fazy nadpowierzchniowej w układzie statycznych (HS): 1. mikrostrzykawka gazoszczelna; 2. fiolka szklana; 3. termostat. - prostota wykonania; - eliminacja rozpuszczalników z toku analizy; - stosunkowo mała czułość; - wysoki koszt aparatury; [69-73] 15

Ekstrakcja do fazy gazowej Tabela 1. c.d. Analiza fazy nadpowierzchniowej w układzie dynamicznym (TLHS) Gaz przepuszcza się w sposób ciągły przez próbkę albo nad próbką (współprądowo albo przeciwprądowo), a unoszone z nim anality są zatrzymywane w pułapce z sorbentem (np. woda) (Rys. 3), technikę tę łączy się często z techniką bezpośredniego nastrzyku próbki (DAI) na kolumnę chromatografu gazowego (GC) wyposażonego w detektor wychwytu elektronów (ECD) 1 T const 3 2 4 5 6 T const - niska granica oznaczalności; - stosunkowo krótki czas analizy; - dobra precyzja oznaczeń; - eliminacja rozpuszczalników z toku analizy; - możliwość analizowania próbek o dużych objętościach i skomplikowanej matrycy organicznej; - skomplikowana aparatura; [5,32,74,75] Rysunek 3. Ogólny schemat zestawu aparaturowego techniki analizy fazy nadopowierzchniowej w układzie dynamicznym (TLHS): 1. oczyszczone powietrze z butli; 2. próbka ciekła; 3. odciek; 4. kolumna nr I 5. kolumna nr II 6. kondensat 16

Tabela 1. c.d. Ekstrakcja do fazy gazowej Technika wypłukiwania analitów z jednoczesnym ich wyłapywaniem na złożu stałego sorbentu (PT) Strumień gazu jest przepuszczany przez analizowaną próbkę ciekłą w postaci drobnych pęcherzyków, wypłukane anality są następnie zatrzymywane na pułapce, z której są uwalniane, najczęściej termicznie, do kolumny chromatograficznej (Rys. 4). Technika ta jest szeroko stosowana do oznaczania lotnych i średniolotnych związków organicznych w różnorodnych matrycach wodnych. 1 2 3 4 5 6 7 - niska granica oznaczalności; - stosunkowo krótki czas analizy; - dobra precyzja oznaczeń; - eliminacja rozpuszczalników z toku analizy; - możliwość analizowania próbek o dużych objętościach i skomplikowanej matrycy organicznej; - łatwość automatyzacji procesu; - wysoki koszt aparatury; - problemy podczas analizy próbek pieniących się; [41,76-84] Rysunek 4. Schemat przykładowego zestawu aparaturowego techniki wypłukiwania analitów z jednoczesnym ich wyłapywaniem na stałym sorbencie (PT): 1. gaz wypłukujący; 2. fiolka szklana + próbka; 3. osuszacz; 4. pułapka sorpcyjna; 5. zawór; 6. wlot gazu nośnego; 7. wlot do kolumny chromatografu gazowego. 17

Tabela 1. c.d. Ekstrakcja do fazy gazowej Wyłapywanie i wychwytywanie analitów z zamkniętym obiegiem strumienia gazu płuczącego (CLSA) Strumień gazu jest przepuszczany przez analizowaną próbkę wodną w postaci drobnych pęcherzyków. Wypłukiwane anality są następnie zatrzymywane na pułapce, z której są uwalniane najczęściej termicznie do kolumny chromatografu gazowego. Gaz po przejściu przez pułapkę jest ponownie zawracany do obiegu (układ zamknięty) (Rys. 5). 3 4 T const 1 - niska granica oznaczalności; - stosunkowo krótki czas analizy; - dobra precyzja oznaczeń; - eliminacja rozpuszczalników z toku analizy; - możliwość analizowania próbek o dużych objętościach i skomplikowanej matrycy organicznej; - łatwość automatyzacji procesu; - wysoki koszt aparatury; - problemy podczas analizy próbek pieniących się; [21, 65] Rysunek 5. Schemat zestawu aparaturowego do techniki wyłapywanie i wychwytywanie analitów z zamkniętym obiegiem strumienia gazu płuczącego: 1. termostat; 2. fiolka z probka ciekla; 3. pulapka sorpcyjna; 4. filtr 18

Tabela 1. c.d. Ekstrakcja do fazy stałej Ekstrakcja do fazy stałej (SPE) Polega na przeniesieniu analitów z ciekłej próbki do stałego sorbentu (Rys. 6), a następnie ich uwolnieniu metodą ekstrakcji rozpuszczalnikiem o dużej sile elucyjnej lub rzadziej metodą desorpcji termicznej. Duży wybór sorbentów stanowiących fazę stałą zapewnia uzyskanie odpowiedniego poziomu selektywności, optymalny stopień wzbogacenia wybranych zanieczyszczeń. Typowe sorbenty stosowane do zatrzymania analiów to: grupy polimerów organicznych, w tym kopolimery styrenu i diwinylobenzenu; sorbenty węglowe; żele krzemionkowe z chemicznie związanymi fazami zawierającymi różne grupy funkcyjne, możliwość izolacji i wzbogacania analitów o szerokim spektrum lotności i polarności. 1 2 1 3 4 5 Rysunek 6. Schemat krążka do przyspieszonej ekstrakcji typu SPE: 1. sitko; 2. sorbent; 3. uszczelka; 4. filtr szklany; 5. obudowa. - przechowywania analitów wzbogaconych na stałym sorbencie (wzbogacone anality na stałym sorbencie można transportować i magazynować); - zmniejszenie ilości zużywanych toksycznych rozpuszczalników; - brak problemów związanych z powstawaniem emulsji; - dużo wyższe wartości współczynnika wzbogacenia (w porównaniu z LLE); - możliwość występowania niskich odzysków analitów (związane jest z oddziaływaniem między matrycą a sorbentem bądź też ze zjawiskiem przebicia złoża); - niekiedy słaba odtwarzalność na skutek różnic w poszczególnych partiach sorbentu; - możliwość zatykania złoża (zarówno w kolumienkach, jak i dyskach ekstrakcyjnych) poprzez cząstki materii zawieszonej zawartej w próbce [5, 65, 66] 19

Tabela 1.c.d. W tym przypadku medium sorpcyjne umieszczone jest w postaci cienkiej warstwy na pręciku z topionej krzemionki, zapewnia to transport analitu z próbki do sorbentu (Rys. 7) i upraszcza wprowadzenie analitów do kolumny chromatograficznej. 1 4 - eliminacja rozpuszczalników; - krótki czas analizy; - prostota wykonania; - niski koszt; - łatwość automatyzacji - wrażliwość włókna PDMS na obecność zawiesin; - niska efektywność procesu wynikająca z niewielkiej ilości fazy stacjonarnej naniesionej na włókno [85-88] Ekstrakcja do fazy stałej Mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej 2 3 7 5 6 8 Rysunek 7. Ogólny schemat zestawu aparaturowego do mikroekstrakcji fazy stacjonarnej (SPME): 1. igła strzykawki; 2. anality; 3. próbka; 4. tłoczek strzykawki; 5. powlekane włókno kwarcowe; 6. faza stacjonarna; 7. mieszadło magnetyczne; 8. mieszadełko magnetyczne. 20

Tabela 1. c.d. Ekstrakcja do fazy stałej Ekstrakcja z wykorzystaniem ruchomego elementu sorpcyjnego typu Twister TM To technika łącząca cechy techniki mikroekstrakcji do fazy stacjonarnej z technikami ekstrakcji membranowej. Polega ona na przeniesieniu analitów z ciekłej próbki do stałego ruchomego sorbentu (Rys. 8), a następnie ich uwolnieniu metodą desorpcji termicznej do kolumny chromatografu gazowego. W tym przypadku medium sorpcyjne stanowi selektywna membrana z polidimetylosiloksanu (PDMS), która umieszczona jest w postaci cienkiej warstwy na cienkim mieszadełku magnetycznym. Objętość PDMS jest od 50 do 250 razy większa od objętości sorbentu stosowanego w tradycyjnej technice SPME, co znacząco zwiększa współczynnik wzbogacenia i odzysk lotnych związków zawartych w ciekłych próbkach biologicznych i środowiskowych. 1 2 3 - eliminacja rozpuszczalników; - krótki czas analizy; - prostota wykonania; - niski koszt; - wysoka selektywność; możliwość wykorzystania zarówno do usuwania matrycy, jak i wzbogacenia mikrośladów; - duży odzysk; - łatwość automatyzacji - wrażliwość włókna PDMS (membrany) na obecność zawiesin; [89-101] Rysunek 8. Ogólny schemat zestawu aparaturowego do ekstrakcji z wykorzystaniem ruchomego elementu sorpcyjnego typu Twister TM (SBSE-TD): 1. fiolka z próbką ciekłą; 2. ruchomy element sorpcyjny typu Twister TM ; 3. desorber termiczny. 21

CZĘŚĆ TEORETYCZNA 3.1 EKSTRAKCJA MEMBRANOWA Szczególne miejsce wśród technik bezrozpuszczalnikowych zajmują membranowe techniki ekstrakcji analitów z próbek ciekłych. Dane literaturowe mogą stanowić podstawę do wniosku, że ich znaczenie w praktyce analitycznej rośnie najszybciej. W najprostszym ujęciu membrana to selektywna bariera pomiędzy dwiema fazami. Faza, z której następuje transport masy, nazywana jest fazą donorową (lub zasilającą), zaś faza akceptorowa nazywana jest fazą odbierającą [102]. Ogólną zasadę rozdzielania składników mieszanin ciekłych z wykorzystaniem membran przedstawiono na Rysunku 9 [103]. Faza donorowa (Woda+anality) Membrana Faza akceptorowa (rozpuszczalnik) Siła napędowa procesu Rysunek 9. Zasada rozdzielania składników mieszanin ciekłych z wykorzystaniem procesu membranowego [103] Istnieje wiele kryteriów wykorzystywanych na etapie klasyfikacji membran [104,105]. Najczęściej do charakterystyki membran pod uwagę bierze się następujące cechy charakterystyczne: stan skupienia; morfologia (związana ściśle z ich porowatością i strukturą wewnętrzną); kształt. Na Rysunku 10 przedstawiono schemat klasyfikacji membran według powyższych kryteriów. W praktyce analitycznej stosuje się różne techniki, w których wykorzystuje się następujące typy membran: porowate; nieporowate (półprzepuszczalne). 22

CZĘŚĆ TEORETYCZNA Membrany Stan Skupienia Morfologia Kształt Stałe Ciekłe Porowate Nieporowate Płaskie Taśmy Gazowe Symetryczne Arkusze Żelowe Asymetryczne Rurkowe Dwufazowe Kompozytowe Kapilarne Dynamiczne Inwersja faz Z włóknami kanalikowymi Rysunek 10. Klasyfikacja membran ze względu na ich stan skupienia, morfologię i kształt W przypadku membran porowatych rozdzielanie składników uzyskuje się w wyniku efektu sitowego, tzn. przez membranę przechodzą cząstki o średnicy mniejszej od średnicy porów. Selektywność takiej membrany zależy więc od wielkości jej porów. Działanie membran półprzepuszczalnych opiera się na różnicach w rozpuszczalności i współczynniku dyfuzji poszczególnych analitów w materiale membrany. W roli membrany nieporowatej można użyć membrany porowatej impregnowanej cieczą lub membrany z litego materiału, np. kauczuku silikonowego [106]. Podstawowe informacje o technikach membranowych wykorzystywanych w praktyce analitycznej zestawiono w Tabeli 2 [107]. Tabela 2. Podstawowe informacje dotyczące typów technik membranowych [107] Technika Rodzaj (typ) membrany Zasada działania Siła napędowa Stosowane techniki oznaczeń końcowych analitów w próbkach uzyskanych ekstraktów Filtracja porowata efekt sitowania różnica ciśnienia LC, GC Dializa porowata efekt sitowania różnica stężenia LC Elektrodializa porowata efekt sitowania, różnica potencjału CE efekt ładunku elektrochemicznego Perwaporacja nieporowata rozpuszczanie różnica ciśnienia LC, GC, CE i dyfuzja Ekstrakcja membranowa nieporowata różnica we współczynniku podziału różnica stężenia LC, GC, CE 23

CZĘŚĆ TEORETYCZNA W procesie ekstrakcji membranowej wykorzystuje się głównie membrany nieporowate [102]. Membranę taką stanowi faza ciekła bądź faza stała (polimer impregnowany za pomocą cieczy), która umieszczona jest pomiędzy dwiema innymi fazami zazwyczaj ciekłymi, ale również gazowymi [108]. Na podstawie danych literaturowych można stwierdzić, że termin ekstrakcja membranowa obejmuje następujące rozwiązania metodyczne i aparaturowe [102,107-112]: ekstrakcję membranową z wykorzystaniem unieruchomionych membran ciekłych (SLM); ekstrakcję ciecz-ciecz z wykorzystaniem membrany mikroporowatej (MMLLE); ekstrakcję membranową z wykorzystaniem membran polimerowych (PME); ekstrakcję membranową w połączeniu z ekstrakcją do fazy stałej (MESI). Podstawowe informacje o tych technikach zostały podane w Tabeli 3 [109]. Tabela 3. Podstawowe informacje na temat technik ekstrakcji membranowej, które znajdują zastosowanie w analityce próbek ciekłych [108,109] Kombinacja stosowanych faz Akronim Nazwa techniki Typ membrany Donor/membrana/akceptor SLM MMLLE PME MASE MESI Ekstrakcja membranowa z wykorzystaniem unieruchomionych membran ciekłych Ekstrakcja membranowa z mikroporowatą membraną w układzie ciecz-ciecz Ekstrakcja membranowa z wykorzystaniem membran polimerowych Ekstrakcja membranowa w połączeniu z ekstrakcją do fazy stałej Nieporowata Nieporowata (mikroporowata) Nieporowata Nieporowata Wodna/organiczna/wodna Wodna/organiczna/organiczna Organiczna/organiczna/wodna Wodna/polimer/wodna; organiczna/polimer/wodna; wodna/polimer/organiczna Gazowa/polimer/gazowa; ciekła/polimer/gazowa Odnośnik literaturowy [108],[110-112] [108],[110] [112], [113] [108],[112] [108],[112] 3.1.1 EKSTRAKCJA Z WYKORZYSTANIEM UNIERUCHOMIONYCH MEMBRAN CIEKŁYCH Zastosowanie ciekłych membran w technikach analitycznych zostało zapoczątkowane w połowie lat osiemdziesiątych [111], a następnie różne warianty tego podejścia zostały opisane w wielu pracach [108,110,114-128]. Ekstrakcja typu SLM używana była najczęściej do izolacji jonów metali z odpadów przemysłowych, albo kwasów organicznych w próbkach ścieków [127]. W przypadku ekstrakcji z wykorzystaniem membran ciekłych siłę napędową procesu stanowi różnica stężeń analitu między fazą donorową i akceptorową. Dla utrzymania różnicy 24

CZĘŚĆ TEORETYCZNA stężeń między tymi fazami, substancje rozpuszczone muszą istnieć w dwóch formach niejonowej w części donorowej B (w celu ich ekstrakcji do membrany) i jonowej w części akceptorowej BH +, gdzie powinny być nieodwracalnie wychwytywane. Możliwe jest to dzięki regulacji ph w obu fazach wodnych. Po ekstrakcji, faza akceptorowa jest transportowana do instrumentu analitycznego zarówno w układzie off-line, jak i w układzie on-line [109,114-121,129-136]. Na Rysunku 11 przedstawiono schematycznie proces ekstrakcji z wykorzystaniem techniki SLM. Faza donorowa Próbka B A - BH + N Faza akceptorowa Membrana organiczna Rysunek 11. Schematyczne przedstawienie procesu ekstrakcji z wykorzystaniem techniki SLM [127] W przypadku techniki SLM rozpuszczalnik organiczny jest unieruchomiony za pomocą sił kapilarnych w porach obojętnego podłoża (głównie z PTFE), które w postaci membrany, oddziela wodne fazy: donorową od akceptorowej. Typowymi rozpuszczalnikami, które wykorzystuje się do sporządzenia membran ciekłych są: n-undekan, kerosen, oraz bardziej polarne związki, takie jak: eter diheksylu, fosforan dioktylu [108]. Skład ciekłych membran można modyfikować dodając substancji, które mogą wpłynąć na sprawność przeprowadzanego procesu ekstrakcji membranowe. Ze względu na fazę akceptorową (ekstrakt wodny) technika SLM jest najczęściej łączona z techniką chromatografii cieczowej (w układzie faz odwróconych) oraz z chromatografią jonową. Postać fazy akceptorowej ogranicza stosowanie techniki SLM do związków występujących w formie jonowej (np. średniomocnych i słabych kwasów i zasad) [108,109]. Typowy płaski moduł membranowy zbudowany jest z dwóch bloków, wykonanych z obojętnego materiału (PTFE, PVDF, tytan). W każdym z bloków wykonane jest podłużne wgłębienie, a oba końce zaopatrzone są w odpowiednie połączenia. Pomiędzy blokami znajduje się impregnowana membrana. Po każdej ze stron membrany formuje się kanał, którym przepływa ciecz z analitami. Objętość każdego z kanałów wynosi od 10 do 1000μl, 25

CZĘŚĆ TEORETYCZNA w przypadku najczęściej stosowanego modułu płaskiego. Natomiast w przypadku modułu membranowego z włóknami kanalikowymi objętość kanału jest rzędu 1.3μl [110]. 3.1.2 EKSTRAKCJA CIECZ-CIECZ Z ZASTOSOWANIEM MEMBRANY MIKROPOROWATEJ W przypadku techniki MMLLE siłą napędową procesu przenoszenia masy jest dążenie do stanu równowagi współczynnika podziału (K) analitu pomiędzy fazę organiczną i fazę wodną [108,121,135,137-143]. Przy niskiej wartości współczynnika podziału (K), współczynnik wzbogacenia analitów przyjmuje niskie wartości, co spowodowane jest niedostateczną ekstrakcją oraz osłabioną dyfuzją analitów przez membranę. W przypadku wartości pośrednich transport analitów ograniczony jest przez właściwości transportu w przepływającej fazie donorowej, i w tym obszarze uzyskuje się najwyższe wartości współczynnika wzbogacenia. Przy bardzo wysokich wartościach współczynnika (K) wartość współczynnika wzbogacenia maleje, gdyż wynika to z ograniczonego transportu analitów przez membranę do fazy akceptorowej (efekt pamięci membrany) [109]. Na Rysunku 12 przedstawiono schemat procesu ekstrakcji analitów z wykorzystaniem techniki MMLLE. Wodna faza donorowa Anality Odpad Ekstrahent Ekstrakt Organiczna faza akceptorowa Membrana organiczna Rysunek 12. Schemat procesu ekstrakcji analitów z próbek ciekłych z wykorzystaniem techniki MMLLE [108] W przypadku techniki ekstrakcji z wykorzystaniem mikroporowatej membrany, w układzie ciecz-ciecz, akceptorem jest rozpuszczalnik organiczny. Ten sam rozpuszczalnik wypełnia również pory hydrofobowej membrany [110]. Technika ta jest stosowana do ekstrakcji związków hydrofobowych, najczęściej pozbawionych ładunku. Związki te stosunkowo łatwo podlegają procesowi eksrakcji z fazy wodnej do fazy organicznej. Nie mogą one jednak być ponownie ekstrahowane (reekstrahowane) do fazy wodnej, tak jak 26

CZĘŚĆ TEORETYCZNA ma to miejsce w przypadku techniki SLM. Technika MMLLE może być realizowana z wykorzystaniem takich samych membran jak technika SLM, np. hydrofobowych membran z politetrafluoroetylenu (PTFE) [110]. Otrzymany ekstrakt jest ekstraktem organicznym, którego skład może być określany na podstawie analizy odpowiednich próbek z wykorzystaniem techniki chromatografii gazowej albo chromatografii cieczowej (w normalnym układzie faz). Technika MMLLE jest techniką komplementarną w stosunku do techniki SLM. Zapewnia ona możliwość izolacji i wzbogacenia związków, które nie można ekstrahować stosując technikę SLM. W Tabeli 4 przedstawiono porównanie podstawowych parametrów dwóch technik ekstrakcji membranowej (SLM i MMLLE) [110]. Tabela 4. Porównanie podstawowych parametrów technik ekstrakcji membranowej SLM i MMLLE Anality SLM związki w formie jonowej (średniomocne i słabe kwasy i zasady) MMLLE związki hydrofobowe, pozbawione ładunku Rodzaj ekstraktu wodny organiczny Współczynnik wzbogacenia zależy głównie od stopnia wychwytywania analitów zależy głównie od współczynnika podziału Połączenie z technikami oznaczeń końcowych chromatografia jonowa, chromatografia w układzie faz chromatografia gazowa, chromatografia cieczowa w Możliwość automatyzacji odwróconych normalnym układzie faz Stosowany sprzęt jest podobny, dlatego też możliwość automatyzacji obu technik jest porównywalna 3.1.3 EKSTRAKCJA Z WYKORZYSTANIEM MEMBRAN POLIMEROWYCH W przypadku technik ekstrakcji z wykorzystaniem membran polimerowych stosuje się membrany lite, wykonane najczęściej z kauczuku silikonowego [108,144-146]. Jest to materiał charakteryzujący się wysoką przepuszczalnością w stosunku do niewielkich cząstek o charakterze hydrofobowym. Brak porów w membranie kauczukowej zapewnia minimalny kontakt obu faz co zwiększa uniwersalność techniki, umożliwiając jej stosowanie do ekstrakcji analitów z próbek gazowych i ciekłych (wodnych i organicznych). Membrany wykonane z tego materiału mogą być użytkowane przez długi okres czasu. Ekstrakcja z wykorzystaniem membran polimerowych realizowana jest najczęściej na dwa sposoby, a mianowicie: ekstrakcja faza wodna-polimer-faza wodna wraz z wyłapywaniem analitów w fazie akceptorowej, podobnie jak w przypadku ekstrakcji typu SLM; 27

CZĘŚĆ TEORETYCZNA ekstrakcja faza wodna-polimer-faza organiczna podobnie jak w przypadku ekstrakcji typu MMLLE [144]. 3.1.3.1 EKSTRAKCJA MEMBRANOWA POŁĄCZONA Z ABSORPCJĄ ANALITÓW W ROZPUSZCZALNIKU Jednym z przykładów technik ekstrakcji membranowej z wykorzystaniem membran polimerowych jest ekstrakcja membranowa połączona z absorpcją analitów w rozpuszczalniku. Zasada działania tej techniki oparta jest na transporcie związków organicznych przez polimerową membranę do małej objętości rozpuszczalnika organicznego (patrz Rysunek 13) [145,147]. Pułapka membranowa wypełniona rozpuszczalnikiem (np. cykloheksanem) umieszczona jest na stalowym lejku przyczepionym do fiolki za pomocą polimerowego (PTFE) pierścienia. Zastosowany rozpuszczalnik organiczny powinien dobrze rozpuszczać anality, nie mieszać się z wodą oraz nie przedostawać się przez membranę do próbki wodnej. Ekstrakcja zachodzi w fiolce podczas procesu mieszania (w podwyższonej temperaturze), w wyniku czego, anality transportowane są do rozpuszczalnika organicznego. Próbka rozpuszczalnika organicznego z zawartymi w nim analitami poddawana jest analizie chromatograficznej (GC). Możliwe są różne modyfikacje stosowanego rozpuszczalnika i materiału membrany oraz różne konfiguracje wykorzystanej aparatury kontrolnopomiarowej [145, 147-149]. Nakrętka magnetyczna Stalowy lejek Membrana polipropylenowa Pierścień Teflonowy Cykloheksan Próbka wodna Fiolka ekstrakcyjna Mieszanie w podwyższonej temperaturze Pobieranie próbek Rysunek 13. Schematyczne przedstawienie procesu ekstrakcji analitów z próbek wody z wykorzystaniem techniki MASE [150] 28

CZĘŚĆ TEORETYCZNA 3.1.4 EKSTRAKCJA MEMBRANOWA W POŁĄCZENIU Z ADSORPCJĄ ANALITÓW NA ZŁOŻU STAŁEGO SORBENTA Membranowe techniki ekstrakcji do fazy gazowej znajdują zastosowanie w izolacji analitów zarówno z fazy ciekłej, jak i gazowej. Technika MESI ze względu na to, że fazą akceptorową stanowi gaz jest w pełni kompatybilna z chromatografią gazową [108,151-153]. Operacje ekstrakcji realizuje się najczęściej z zastosowaniem modułu membranowego wykonanego z kauczuku silikonowego, w którym anality są zbierane i ekstrahowane z otaczającej próbki gazowej lub ciekłej wraz ze strumieniem gazu obojętnego przepływającego wewnątrz modułu. Następnie wyekstrahowane anality przenoszone są w kierunku pułapki sorpcyjnej lub kriogenicznej. Anality zatrzymywane w pułapce są następnie uwalniane w wyniku procesu desorpcji termicznej i wprowadzane w strumieniu gazu nośnego do kolumny chromatografu gazowego [151]. 3.1.5 SPEKTROMETRIA MAS Z WLOTEM MEMBRANOWYM W literaturze dostępne są informacje o różnych modyfikacjach i wariantach technik opartych na wykorzystaniu membran na etapie izolacji i wzbogacania analitów. Jedno z takich nowych rozwiązań związane jest z wykorzystaniem zjawiska przenikania analitów przez cienkie membrany do spektrometru mas (MIMS). Membrana ekstrakcyjna, stanowi tu integralną część układu dozowania próbek analitów do komory jonizacyjnej spektrometru mas. Spektrometria mas z wlotem membranowym to technika oparta na wykorzystaniu cienkich membran jako łącznika ze spektrometrem mas, pozwala na bezpośrednie skierowanie specyficznych komponentów próbek ciekłych lub gazowych do komory jonizacyjnej spektrometru mas [154-166]. Anality przechodzą przez półprzepuszczalną membranę (z kauczuku silikonowego) w procesie perwaporacji, który obejmuje trzy etapy [104,154]: 1. adsorpcję analitów na powierzchni membrany; 2. dyfuzję analitów przez membranę wzdłuż gradientu stężenia; 3. odparowanie analitów do komory jonizacyjnej spektrometru mas. Transport poszczególnych związków przez silikonową membranę zależy głównie od ich rozpuszczalności w matrycy membrany. Dzięki technice MIMS można bezpośrednio oznaczać lotne związki organiczne występujące w próbkach wody bądź powietrza, 29

CZĘŚĆ TEORETYCZNA na poziomie śladowym, bez interferencji ze strony kwasów, zasad, metali, jonów, materii zawieszonej albo materii organicznej. Na Rysunku 14 przedstawiono ogólny schemat połączenia wlotu membranowego ze spektrometrem mas. 1 2 3 Rysunek 14. Schemat połączenia wlotu membranowego ze spektrometrem mas; 1- wlot helu; 2- membrana; 3- próbka Technika MIMS posiada kilka ważnych zalet. Należą do nich: krótki czas analizy (1 do 6 minut); eliminacja rozpuszczalników z toku postępowania analitycznego; stosunkowo niski koszt analizy; prostota wykonania (brak etapu przygotowania próbki); możliwość zastosowania tej techniki w monitoringu [65]. Jeżeli lotne związki organiczne są obecne w próbce, mogą być one zidentyfikowane na podstawie ich charakterystycznego widma mas, oraz ilościowo oznaczone za pomocą porównania ze standardowymi materiałami odniesienia. Wadą techniki MIMS jest możliwość nakładania się widm różnych związków, co uniemożliwia poprawne zidentyfikowanie poszczególnych analitów. 3.1.6 PERWAPORACJA Alternatywą do typowych technik ekstrakcji membranowej może być technika perwaporacji. W trakcie procesu perwaporacji składniki roztworu zasilającego znajdują się w fazie ciekłej, która znajduje się w bezpośrednim kontakcie z jedną powierzchnią nieporowatej membrany liofilowej, zaś określony składnik mieszaniny transportowany jest preferencyjnie na drugą stronę membrany (Rysunek 15) [167-170]. 30

Faza donorowa (Retentat) Membrana CZĘŚĆ TEORETYCZNA Faza akceptorowa (Permeat) Rysunek 15. Zasada rozdzielania składników mieszanin ciekłych w trakcie procesu perwaporacji W wyniku procesu perwaporacji, strumień zasilający rozdzielany jest na dwa strumienie: permeatu i retentatu. Permeat wzbogacony jest w składnik przenoszony preferencyjnie przez membranę (lotne związki chlorowcoorganiczne w przypadku membran dimetylosiloksanowych), retentat zawiera natomiast głównie te składniki, które nie podlegają preferencyjnemu transportowi przez membranę. Selektywność rozdzielania składników w trakcie tego procesu wynika z różnic w przepuszczalności składników rozdzielanej mieszaniny. Proces transportu masy przez nieporowate membrany liofilowe opisuje jakościowo teoria rozpuszczania-dyfuzji. Zgodnie z tą teorią, transport i rozdzielanie masy w trakcie procesu perwaporacji składa się z trzech, następujących po sobie etapów (Rysunek 16): 1. sorpcji analitów na powierzchnię spęczniałej membrany; 2. dyfuzji analitów przez membranę wzdłuż gradientu stężenia (etap dyfuzji wraz z etapem sorpcji decydują o selektywności całego procesu); 3. desorpcji permeatu (etap ten, z uwagi na panujące obniżone ciśnienie po stronie permeatu, jest etapem bardzo szybkim, dlatego też nie wpływa on na całkowitą selektywność procesu permeacji). Nadawa Membrana Permeat desorpcja sorpcja dyfuzja Rysunek 16. Schemat transportu lotnych związków chlorowcoorganicznych w modelu rozpuszczaniadyfuzji 31

CZĘŚĆ TEORETYCZNA Siłą napędową procesu perwaporacji jest różnica ciśnień cząsteczkowych po obu stronach membrany (równanie Hagen-Poiseuille a), która ma następującą postać [107,171]: J i = - P i (Δp i /Δx) (1) gdzie: J i strumień substancji rozpuszczonej (analitu); P i współczynnik przepuszczalności membrany; Δp i różnica ciśnień cząsteczkowych składnika po obu stronach membrany; Δx grubość membrany. Efektywność rozdzielania w procesie perwaporacji określana jest zawsze w odniesieniu do składnika przenoszonego preferencyjnie przez membranę. Do oceny efektywności rozdzielania stosowane są następujące parametry: współczynnik rozdzielania α (równanie 2 ): α = (c ** A/ c ** B)/( c * A/ c * B) (2) współczynnik wzbogacenia β (równanie 3): β = c ** A/ c * A (3) gdzie: c stężenie; A i B składniki rozdzielanej mieszaniny, przy czym A jest to składnik przenoszony preferencyjnie; * - nadawa; ** - permeat. Na Rysunku 17 przedstawiono schemat budowy przykładowego zestawu aparaturowego do prowadzenia procesu ekstrakcji lotnych związków chlorowcoorganicznych z ciekłych próbek środowiskowych i biologicznych z wykorzystaniem techniki perwaporacji (PV). 1 2 3 4 5 Rysunek 17. Schemat budowy zestawu aparaturowego do prowadzenia procesu ekstrakcji analitów z próbek moczu z wykorzystaniem techniki perwaporacji (PV); 1- pompa cyrkulacyjna; 2- zbiornik z nadawą; 3- membrana z polidimetylosiloksanu; 4- odbieralniki (chłodzone ciekłym azotem); 5- pompa próżniowa 32