Статьи Методики
  Расчеты Советы Справочник История

 

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЭЛЕКТРОФОРЕЗА ПРИ КОНТРОЛЕ
СОСТАВА ПИТЬЕВЫХ, ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Георгий Николаевич Сметанин , (E-mail: welcome@aqua-analyt.com)
М. В. Андреева, А.Н. Атанов, ГУП "Центр исследования и контроля воды", г. Санкт-Петербург

 

В ГУП "Центр исследования и контроля воды" разработаны и аттестованы электрофоретические методики выполнения измерений массовых концентраций хлорида, нитрита, сульфата, нитрата, фторида, фосфата в пробах питьевых и природных вод и хлорида, сульфата, нитрата, фторида, фосфата в пробах сточных вод. Работы проводились на ионных анализаторах "Quanta 4000E" фирмы "Waters", "Spectra Foresis 1000" фирмы "Thermo Separation Products", "Капель-104" и "Капель-103" фирмы "Люмэкс" ( http://www.lumex.ru ).

Подсчет трудозатрат при определении анионов по разработанным методикам выполнения измерений показал, что трудозатраты на пробу при серии проб составили 20 минут. При этом один человек на одном приборе в день может проанализировать до 20 проб. Даже при значительной стоимости капиллярного ионного анализатора "Quanta 4000E" фирмы "Waters", себестоимость анализа является приемлемой для потенциальных пользователей. Снижение себестоимости анализа возможно при переходе на использование отечественного ионного анализатора, выпускаемого фирмой "Люмэкс". По своим техническим характеристикам модель "Капель-104" фирмы "Люмэкс" не уступает "Quanta 4000E" фирмы "Waters", а его цена значительно ниже.

В ЦИКВ были проведены испытания капиллярного ионного анализатора "Капель-104" фирмы "Люмэкс". Испытания заключались в опробовании методики выполнения измерений (МВИ) массовых концентраций группы неорганических анионов (хлорида, нитрита, сульфата, нитрата, фторида, фосфата) на модельных растворах и на пробах питьевых и природных вод на анализаторе "Капель 104" и сравнение с этой же МВИ на анализаторе "Quanta 4000E" фирмы "Waters". По этой МВИ проводилось определение сходимости, воспроизводимости и правильности результатов измерения. Воспроизводимость, сходимость и правильность результатов измерения анионов на анализаторе "Капель 104" были на уровне таковых получаемых на анализаторе "Quanta 4000E" и не превышали значений норматива по МВИ.

Также проводились анализы питьевой и природной воды по разработанной методике выполнения измерений одновременно на анализаторе "Quanta 4000E" фирмы "Waters" и на анализаторе "Капель 104". В таблице 1 приведены результаты анализов питьевой и природной воды полученные по МВИ разработанной в ЦИКВ на капиллярных анализаторах фирмы Waters и фирмы Люмэкс.

 

Результаты анализов питьевой и природной воды полученные по МВИ разработанной в ЦИКВ на капиллярных анализаторах фирмы Waters и фирмы Люмэкс.

Наименование пробы Cl-, мг/дм3 SO42-, мг/дм3 NO3-, мг/дм3 F-, мг/дм3
Waters Люмэкс Waters Люмэкс Waters Люмэкс Waters Люмэкс
Зеленогорск, в/з 1.65 1.76 9.49 10.9 - - 0.75 0.81
Зеленогорск, 2 под. 5.95 6.02 10.0 10.2 - - 0.74 0.82
Красное Село, 2 под. 65.4 68.0 36.0 37.5 28.6 30.0 0.10 0.13
Балтика-1 7.12 7.46 28.8 26.1 1.62 1.84 - -
Балтика-2 79.2 83.4 42.2 44.5 0.73 0.69 - -
Балтика-3 12.6 12.7 21.0 21.2 1.28 1.35 - -
Pepsi 7.38 7.32 21.9 21.9 1.56 1.57 0.06 0.06
Ломоносов, водов. 11.1 10.7 22.4 21.3 1.98 1.89 0.07 0.06
СВС, в/з 5.75 5.95 10.1 10.3 1.64 1.53 0.10 0.09
CВC, 1 м.о. 6.95 7.09 21.3 21.3 1.55 1.65 0.05 0.09
ВВС, в/з 5.69 6.04 9.83 10.6 1.65 1.70 0.09 0.05
ВВС, 3 м.о 7.14 7.66 20.4 22.2 1.67 1.78 - -
ВВС, сеть 7.67 7.75 21.3 22.1 1.81 1.85 - -

Переход с химических методов определения анионов на метод капиллярного электрофореза в ЦИКВ позволил сократить трудозатраты и эксплуатационные расходы и получать документированные протоколы измерений, свободные от субъективного фактора.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ АНАЛИЗА ИОНОВ
В АЛКОГОЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ МЕТОДОМ
КАПИЛЛЯРНОГО ЭЛЕКТРОФОРЕЗА

Н.М. Агеева, Т.И. Гугучкина, А.А. Гугучкин, Ю.Ф. Якуба
ГНУ РАСХН СКЗНИИ Садоводства и Виноградарства, г. Краснодар, Россия

 

Содержание катионов щелочных металлов может служить косвенным указанием на фальсификацию вина или другой алкогольной продукции. Содержание калия, кальция, магния и натрия, характерное для виноградных вин в строго определенных количествах служит косвенным доказательством их виноградного происхождения.

Установлено, что прибор "Капель-103" фирмы "Люмэкс" по методике ПНД Ф 14.1:2:4.167-2000 (утвержденной для различных типов вод) позволяет без предварительной подготовки анализировать щелочные и щелочноземельные металлы, содержащиеся в винах, водках, коньяках. Результаты анализа проверены методом пламенной фотометрии и атомной абсорбции. Расхождение результатов анализов не превышает 10%.

Особое значение следует придать возможности определения иона аммония в винах, так как по величине этого показателя можно судить об интенсивности процессов дезаминирования аминокислот. Известные методы позволяют определить только аминный и аммиачный азот с последующим пересчетом на аммоний.

Установлена возможность непосредственного определения ионов хлора, сульфата, нитрата, нитрита и фосфата в различных образцах алкогольной продукции на приборе "Капель-103Р" по методике ПНД Ф 14.1:2:4.157-99, оказывающих существенное влияние на розливостойкость продукции. Органические кислоты винопродукции и вещества фенольного комплекса выходят позже определяемых ионов и не мешают определению. Проведено сравнительное определение анионов в винах полученных из одного сорта винограда, но выращенного в разных почвенных зонах Краснодарского края. В результате исследований не установлено принципиальных различий по наличию в вине ионов хлора, сульфата и фосфата; нитрат и нитрит ионы в исследуемых образцах не обнаружены.

Проведено аналогичное исследование в коньяках. Количественное содержание хлорида, сульфата и фосфата близко к содержанию в винах и составило соответственно 10-40; 20-45; 40-180 мг/дм3. Установлено, что метод капиллярного электрофореза без применения пробоподготовки (достаточно разбавления пробы буферным раствором и центрифугирования) может быть использован для оценки безопасности коньяков - установлению количественного содержания нитрат и нитрит ионов.

 

ПЕСТИЦИДЫ ГРУППЫ ХЛОРФЕНОКСИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ.
АНАЛИЗ В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ МЕТОДОМ КАПИЛЛЯРНОГО ЭЛЕКТРОФОРЕЗА.

Н.В. Комарова *, А.А. Карцова **

* Научно-производственная фирма аналитического приборостроения "Люмэкс", Санкт-Петербург, Россия
**Санкт-Петербургский государственный университет, химический факультет, Санкт-Петербург, Россия

 

Применение пестицидов было и остается одним из основных путей интенсификации сельскохозяйственного производства. Однако, будучи чужеродными химическими веществами, вносимыми в окружающую среду, пестициды могут представлять собой известную опасность для природы и человека. Многие пестициды способны длительно сохраняться в среде обитания людей, попадая из одного объекта среды в другой и превращаясь в более токсичные соединения. Согласно мировой экологической статистике пестициды входят в группу экотоксикантов, составляющих так называемую "грязную дюжину" [1].

В качестве гербицидов наибольшее распространение получили хлорфеноксикарбоновые кислоты (ФКК) и их производные. Ввиду отсутствия приемлемых альтернативных способов борьбы с сорняками производство и потребление пестицидов этой группы продолжает возрастать. Общая формула для соединений группы хлорфеноксикарбоновых кислот

fkk1.gif (2021 bytes)

Известно влияние заместителей R1 и R2 на гербицидную активность этих соединений. В общем случае возрастание активности происходит при R=Hal, причем максимум гербицидной активности наблюдается при наличии в бензольном кольце двух атомов хлора, при дальнейшем росте числа атомов Hal гербицидная активность снижается. Таким образом, соединения группы 2,4-дихлорфеноксикарбоновых кислот являются самыми активными гербицидами и, следовательно, наиболее широко используются. Активному распространению соединений группы 2,4-Д способствует также наличие у отдельных ее представителей (2,4-Д, 2,4-ДМ, 2М-4ХП) гормональных свойств: применение препаратов, содержащих указанные гербициды, ведет к интенсификации биосинтеза белка, стимулированию корнеобразования и ускорению дозревания плодов [2].

Наиболее распространенные пестициды группы ФКК и их ПДК в водных объектах представлены в табл.1.

 

Таблица 1. Перечень наиболее распространенных пестицидов группы ФКК и их ПДК в объектах окружающей среды.

Название Синоним или краткое обозначение ПДК, мг/л
Кислота феноксиуксусная ФУК 1 (питьевая вода)
Кислота 2,4-дихлорфеноксиуксусная 2,4-Д 0,03 (питьевая вода)
1 (природная)
Кислота 2-метил-4 хлорфеноксиуксусная 2М-4Х, МСРА 0,02 (воды рыбохоз. водоемов)
0,04 (сан-быт.)
Кислота 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная 2,4,5-Т Запрещена к применению!
Кислота 2,4-дихлорфенокси-α-пропионовая Дихлорпроп, 2,4-ДР 0,5 (питьевая)
0,62 (природная)
Кислота 2-метил-4-хлорфенокси-α-пропионовая Мекопроп, 2М-4ХП, МСРР ----
Кислота 2,4,5-трихлорфенокси-α-пропионовая 2,4,5-ТР, Silvex ----
Кислота 2,4-дихлорфенокси-α-масляная 2,4-ДВ 0,01 (питьевая)

 

В народном хозяйстве представители ФКК применяются в качестве гербицидов (для борьбы с сорняками), арборицидов (для уничтожения малоценных пород кустарников), альгицидов (для уничтожения водных растений при зарастании водоемов). Попадая в различные объекты окружающей среды, пестициды накапливаются в них либо включаются в различные миграционные цепи (рис. 1). При этом в каждом из объектов окружающей среды пестициды подвергаются всевозможным процессам разложения. ФКК характеризуются сравнительно низкой персистентностью- способностью сохраняться какое-либо время в окружающей среде, не теряя своей биологической активности, и, например, в почве подвержены каталитическим процессам разложения с участием микроорганизмов и ферментов: деалкилированию, дегалогенированию, гидролизу, разрыву кольца и т.д. с образованием в конечном итоге 2,4-Д и 2,4-ДХФ (2,4-дихлорфенола), более стабильных, чем исходные соединения. Обладая хорошей растворимостью в воде, продукты разложения вымываются из почвы и поступают в грунтовые воды, а затем в открытые водные объекты.

fkk2.gif (7861 bytes)
Рис.1 Накопление и миграция остаточных количеств пестицидов в окружающей среде.

 

Кроме того, в водные объекты ФКК могут поступать как при непосредственном внесении ядохимикатов в водоемы (в качестве альгицидов), так и со стоками химических и родственных производств. В водных объектах ФКК также претерпевают разложение до 2,4-Д и 2,4-ДХФ [3].

Стабильность 2,4-Д в различных объектах отражена в табл.2 и зависит как от физико-химических свойств вещества, так и биологической природы среды, температуры, влажности, УФ-радиации и т.д.

 

Таблица 2. Стабильность 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты
в объектах окружающей среды.

Объект среды Максимальная стабильность
препарата, сутки
Почва 300-500
Растительные материалы 120-180
Водные организмы 100-150
Водная среда 120

О распределении 2,4-Д в водных объектах имеются противоречивые данные. Учитывая коэффициенты распределения пестицида между отдельными компонентами биосферы, в [4] было показано, что наибольшая доля 2,4-Д накапливается в воде (93,8 %), а в [3] продемонстрировано распределение 2,4-Д при поступлении в воду: основная доля (60%) метаболизируется в растительном материале в виде конъюгатов, незначительная часть (5-10%) адсорбируется донными осадками, песком и 30% остается в воде.

Экологическая безопасность пестицидов связана с их избирательностью, а также большей или меньшей персистентностью. Класс ФКК относится к среднетоксичным соединениям, значительно уступая по токсичности, например, группе хлорорганических пестицидов. Тем не менее ряд представителей ФКК обладают отдаленным токсическим действием: так у 2,4,5-Т выражено эмбриотропное действие и этот препарат запрещен к применению в России.

Будучи ксенобиотиками, вносимыми в окружающую среду, пестициды представляют собой несомненную опасность для природы и человека. Важную роль в предотвращении негативных последствий применения пестицидов играет контроль за содержанием их токсических остатков в объектах окружающей среды, растениеводческой продукции, кормах и продуктах питания. Наиболее широко для анализа пестицидов класса ФКК используют физико-химические методы и в первую очередь ГЖХ и ВЭЖХ, отличающиеся высокой селективностью и чувствительностью определения ФКК [5,6,7,8]. Однако, кроме вышеуказанных достоинств методики имеют ряд недостатков. Так, например, используемые в ГЖХ-варианте дериватизирующие агенты представляют собой высокотоксичные соединения, а в ВЭЖХ-варианте известно мешающее влияние гуминовых кислот и связанные с этим дрейф базовой линии, трудности при идентификации и количественном определении. Кроме того, оба хроматографических метода анализа характеризуются сложностью аппаратурного оформления.

В гораздо меньшей степени для аналитического контроля различных объектов на содержание пестицидов используют фотометрические, электрохимические, иммуноферментные методы и методы биоиндикации [5,9]. Большинство указанных методов характеризуются длительностью пробоподготовки, использованием большого количества (и объемов) реактивов, некоторые требуют наличия дорогих специфических реагентов.

Относительно новым, экспрессным и достаточно чувствительным методом анализа пестицидов является капиллярный электрофорез [10]. ФКК в нейтральных и щелочных растворах диссоциируют с образованием органических анионов. Этот факт определяет самый простой вариант их анализа методом капиллярного электрофореза - так называемый зонный электрофорез, при котором компоненты пробы, введеной с входного конца кварцевого капилляра, разделяются в электрическом поле за счет их различных подвижностей и детектируются в виде дискретных зон индивидуальных компонентов. Необходимо отметить важность разделения и последующего определения не только самих ФКК, но и продуктов их деструкции, многие из которых также оказывают токсическое воздействие на окружающую среду и человека. Для ФКК таким сопутствующим компонентом является 2,4-дихлорфенол (2,4-ДХФ).

В качестве разделительной системы выбрана смесь приоритетных гербицидов (кислоты: феноксиуксусная, 2,4-дихлорфеноксиуксусная (2,4-Д), 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная, 2,4-дихлорфенокси-α-пропионовая и 2,4-дихлорфенокси-α-масляная) и конечного продукта их разложения (2,4-дихлорфенол). Все компоненты обладают заметным поглощением в УФ-области. Работа выполнялась на приборе "Капель-103" (НПФ АП "Люмэкс"), с кадмиевой лампой (λраб 228,8 нм); длина используемого кварцевого капилляра 65 см (эффективная длина- 55 см); внутренний диаметр капилляра 75 мкм.

Оптимизировались следующие условия разделения ФКК методом зонного электрофореза:

  • Выбор ведущего электролита, оптимизация концентрации и рН.
  • Ввод пробы (гидродинамический, электрокинетический), оптимизация времени ввода для гидродинамического способа. Оценка способа ввода с выходного конца капилляра.
  • Рабочее напряжение.
  • Полярность прибора.
  • Температура.

Оптимальными признаны следующие условия разделения: гидродинамический ввод-30 мбар*30 сек; ведущий электролит- тетраборат натрия с концентрацией 10 мМ, рН 9,18; рабочее напряжение +20 кВ. В оптимальных условиях проведено разделение смеси гербицидов (рис.2). Показано, что разделение происходит в течение двух минут (при общем времени анализа 9 мин).

fkk3.jpg (6269 bytes)

Рис.2. Электрофореграмма смеси пестицидов группы ФКК и 2,4-дихлорфенола. Система капиллярного электрофореза "КАПЕЛЬ-103" (НПФ АП "ЛЮМЭКС", г. Санкт-Петербург), ведущий электролит: 10 мМ тетраборат натрия, рН=9,18; ввод пробы: 30 мбар*30 сек; капилляр: 65 см*75 мкм; напряжение: +20 кВ; детектирование: УФ, 228,8 нм. Состав анализируемой смеси (в скобках указана концентрация компонента в анализируемом растворе, мг/л): 2,4-ДВ (2.5), 2,4-ДР (2.0), 2,4,5-Т (2.0), 2,4-Д (2.0), 2,4-ДХФ (1.6), ФУК (2.0). Сбор и обработка данных- с помощью ПО "МультиХром" (фирма "Амперсенд", г. Москва).

 

На рис.3 представлен градуировочный график для 2,4-Д. Диапазон измеряемых концентраций 0,2 - 20 мг/л. Для водных объектов пробоподготовка заключается в фильтровании образца, его разбавлении буферным раствором и центрифугировании полученной смеси.

Используя предварительное концентрирование пробы (твердофазную экстракцию или жидкостно-жидкостную экстракцию), можно существенно снизить предел обнаружения каждого компонента.

fkk4.gif (5187 bytes)
Рис 3. Градуировочный график для определения концентрации 2,4-Д.

 

Главными достоинствами метода капиллярного электрофореза являются его высочайшая эффективность разделения (на несколько порядков превышающая эффективность газовой и жидкостной хроматографии), экспрессность анализа и его простота, малый расход реактивов. Повышение селективности разделения ФКК возможно при переходе к мицеллярному варианту капиллярного электрофореза - так называемой мицеллярной электрокинетической хроматографии, а также при добавлении в ведущий электролит макроциклических реагентов (циклодекстрины, краун-эфиры, криптанды).

Таким образом, капиллярный электрофорез является новым инструментальным методом анализа пестицидов. Тем не менее совершенствование процедур пробоподготовки (при переходе к почвам и пищевым продуктам) и оптимизация всего анализа в целом остаются актуальной задачей.

 

Литература

  • Тинсли И. Поведение химических загрязнителей в окружающей среде./ Пер. с англ. М.: Мир, 1992. 281с.
  • Лунев М.И. Пестициды и охрана агрофитоценозов. М.: Колос, 1992. 269с.
  • Федорова Л.М., Белова Р.С. Производные хлорфеноксиуксусных кислот и охрана окружающей среды. Саратов: СГУ, 1983. 124с.
  • Прогнозирование поведения пестицидов в окружающей среде. Тр. Сов.-амер. симпоз. Ереван, октябрь 1981. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 306с.
  • Методы определения микроколичеств пестицидов в продуктах питания, кормах и внешней среде. М.: Колос, 1977. 215с.
  • Методы определения микроколичеств пестицидов в продуктах питания, кормах и внешней среде. М.: Колос, 1983. 297с.
  • Методика выполнения измерений массовой концентрации 2,4-Д, симазина, атразина в питьевой воде, воде водоемов и водоисточников методом ВЭЖХ. Уфа, РБ.АП-31/96.
  • Hogendoorn E.A., Dijkman E., Bauman B. Anal.Chem. 1999, 71, 1111-1118.
  • Еремин С.А., Ефимова Ю.А., Лаасис Б., Арон Ж.-Ж. Агрохимия, 2, 1996, 102-106.
  • Penmetsa K.V., Leidy R.B., Shea D. J. Chromatogr. A, 745 (1996) 201-208.
  •