Ćw. 2 Ekstrakcja pestycydów chlooroganicznych z

UNIWERSYTET GDAŃSKI
WYDZIAŁ CHEMII
Chemia środków ochrony roślin
Katedra Analizy Środowiska
Instrukcja do ćwiczeń
Ćwiczenie 2
Ekstrakcja pestycydów chloroorganicznych
z gleby i opracowanie metody analizy
techniką chromatografii gazowej
Gdańsk 2015
Ćwiczenie 2 Ekstrakcja pestycydów chloorganicznych z gleby
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):
Rysunek 1. Klasyfikacja technik ekstrakcji z próbek stałych (J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz, M. Pilarczyk, L. Torres,
Przygotowanie próbek środowiskowych do analiz, WNT, Warszawa, 2000).
2
Ćwiczenie 2 Ekstrakcja pestycydów chloorganicznych z gleby
•
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).
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).
Technika ekstrakcji
Ekstrakcja w aparacie Soxhleta
Ekstrakcja w zautomatyzowanym
aparacie Soxhleta
Ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika
wspomaganego ultradźwiękami
Ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika
wspomaganego promieniowaniem
mikrofalowym
Przyśpieszona ekstrakcja za pomocą
rozpuszczalnika
Ekstrakcja za pomocą płynu w stanie
nadkrytycznym
Ilość zużytego
rozpuszczalnika [ml]
200 – 500
50 – 100
Przeciętny czas trwania
procesu ekstrakcji
4 – 48 h
1–4h
100 – 300
30 min – 1 h
25 – 50
30 min – 1 h
15 – 40
12 – 18 min
8 – 50
30 min – 2 h
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.
3
Ćwiczenie 2 Ekstrakcja pestycydów chloorganicznych z gleby
Tabela 2. Pestycydy, ujęte na liście trwałych zanieczyszczeń organicznych w 2001 roku, wg Konwencji
Sztokholmskiej (zakres stosowania wg Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska).
Pestycyd
Aldryna
Dieldryna
Cloran
DDT
Endryna
Heptachlor
Heksachlorobenzen
Mirex
Toksafen
Zakres stosowania
Insektycyd stosowany w uprawach kukurydzy i bawełny;
zwalczanie termitów
Insektycyd stosowany w wielu uprawach; zwalczanie termitów
Insektycyd stosowany w wielu uprawach; zwalczanie owadów
przenoszących choroby
Insektycyd stosowany głównie w uprawach bawełny i zbóż;
rodentocyd
Insektycyd stosowany głównie do zwalczania owadów w glebie;
także do zwalczania owadów przenoszących choroby
Fungicyd; stosowany także w przemyśle chemicznym
Insektycyd; stosowany także w przemyśle chemicznym
Insektycyd o szerokim zakresie stosowania
4
Ćwiczenie 2 Ekstrakcja pestycydów chloorganicznych z gleby
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
2.1 Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest porównanie wydajności technik ekstrakcji pestycydów z próbek
gleby, 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.
5
Ćwiczenie 2 Ekstrakcja pestycydów chloorganicznych z gleby
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 technikami 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 wewnętrznego należy dokonać oceny skuteczności wykorzystanych
technik ekstrakcji pestycydów z próbek gleby (suchej i mokrej) i oszacować zawartość
poszczególnych związków w badanej próbce.
6
Ćwiczenie 2 Ekstrakcja pestycydów chloorganicznych z gleby
4. SZKŁO I ODCZYNNIKI
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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
Aparatura laboratoryjna
•
Chromatograf gazowy SCHIMADZU z detektorem FID
•
Chromatograf gazowy sprzężony ze spektrometrem mas Shimadzu QP2O1OSE
7