Способ обнаружения 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана в молоке

Изобретение относится к газохроматографическим методам анализа и может быть использовано в медицине, экологии и продовольственной промышленности. Предложен способ обнаружения 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана в молоке, включающий подготовку пробы методом твердофазной микроэкстракции с использованием в качестве адсорбента, элюента и внутреннего стандарта фуллеренов С₂₀, глубокого эвтектического растворителя ментол/муравьиная кислота и 1,3-диоксана соответственно, и последующего введения пробы в пламенно-ионизационный детектор системы газовой хроматографии. Изобретение обеспечивает расширение арсенала и повышение чувствительности способов определения 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана в молоке. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к газохроматографическим методам анализа и может быть использовано в медицине, экологии и продовольственной промышленности.

Одним из загрязнителей окружающей среды является 1,4-диоксан, химическая формула которого C₄H₈O₂. Он широко используется в промышленности в качестве сильного растворителя для использования в производстве клеев, тканей, бумаги, лаков, фармацевтических препаратов и других химикатов, но в то же время это токсичное вещество, потенциальный канцероген. Согласно фармакокинетическим моделям, было показано, что 1,4-диоксан обладает свойством легко связываться с молоком, которое вдыхается из окружающего воздуха кормящим матерям. В связи с этим актуальна и перспективна проблема определения посторонних химических включений и поддержания химической чистоты грудного молока. Обнаружение 1,4-диоксана является самостоятельной задачей и может рассматриваться в сочетании с обнаружением 2-метил-1,3-диоксолана, поскольку последний является наиболее частым производным 1,4-диоксана, во многих случаях получаемым как результат разложения 1,4-диоксана и, соответственно, указывает на его наличие. Обнаружение сразу двух веществ в грудном молоке и молочных продуктах для детей более точно характеризует его чистоту. Важно иметь возможность обнаруживать эти два вещества одновременно.

Из-за высокой растворимости 1,4-диоксана в воде его обнаружение представляется серьезной проблемой. Существуют различные физические и химические методы анализа. Стандартные аналитические методы не подходят для определения 1,4-диоксана из-за вкуса и запаха, которые практически отсутствуют. В этом случае очень надежным может быть физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении компонентов анализируемой смеси между двумя несмешивающимися фазами, движущимися друг относительно друга (метод газовой хроматографии). 1,4-диоксан, обладающий свойствами летучести и термической стабильности, соответствует требованиям этого метода. Следующие детекторы могут использоваться для непрерывного измерения концентрации веществ на выходе из хроматографической колонки: детектор теплопроводности, детектор захвата электронов, масс-спектрометрия и другие. Детектор для определения 1,4-диоксана должен одновременно сочетать в себе свойства универсальности, неразрушающего контроля и высокой чувствительности к органическим соединениям. Детектор ионизации пламени реагирует на все соединения, которые могут быть ионизированы пламенем, и представляет собой специальный инструмент для обнаружения органических соединений. Для применения этого метода требуется предварительное концентрирование диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана.

Для предварительного концентрирования диоксана ранее использовались следующие методы: жидкостно-жидкостная экстракция, газовая экстракция (продувка с последующим улавливанием), и твердофазная экстракция.

Метод предварительного концентрирования, основанный на газовой экстракции (продувка с последующим улавливанием), был реализован в работе [1]. Его недостатком является то, что он требует увеличенного времени продувки и дополнительного нагрева. Сообщенный в [1] предел предварительного концентрирования диоксана для метода газовой экстракции (продувка с последующим улавливанием) составляет 150 нг/л. При этом предел обнаружения 1,4-диоксана в образцах воды, определяемый методом газовой хроматографии с масс спектрометрией составляет 0.13 нг/мл [1].

Предел концентрирования 1,4-диоксана в методе жидкостно-жидкостной экстракции составил 200 нг/л [2], при этом предел обнаружения 1,4-диоксана в образцах воды, определяемый методом газовой хроматографии с масс спектрометрией составляет 0.2 нг/мл [2].

Разделение твердофазных смесей с использованием твердых сорбентов в методе твердофазной экстракции позволяет повысить концентрацию диоксана до 1 мкг/л [3, 4]. Однако, предел обнаружения 1,4-диоксана в образцах воды, определяемый методом газовой хроматографии с масс спектрометрией не превышал 0.1 нг/мл.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является методика обнаружения 1,4-диоксана в воде, предложенная в [5]. Данное изобретение основано на методе газовой хроматографии, для определения концентрации веществ используется масс-спектрометрия, а предварительная подготовка проб осуществляется методом твердофазной экстракции в свободном пространстве. Процедура пробоподготовки состоит из следующих шагов: образец воды, который был дехлорирован и консервирован микробным ингибитором, обогащен изотопно-меченным аналитом 1,4-диоксан-d8. Образец извлекается одним из двух вариантов твердофазной экстракции. В варианте 1 образец объемом 500 мл пропускается через картридж твердофазной эксракции, содержащий 2 г активированного угля, для извлечения аналита. В варианте 2 образец объемом 100 мл извлекается с помощью картриджа Waters АС-2 Sep-Pak или Supelco Supelclean ENVI-Carb Plus. В любом варианте соединения элюируют из твердой фазы небольшим количеством дихлорметана, приблизительно 9 мл или 1,5 мл соответственно. Объем экстракта регулируют и добавляют внутренний стандарт тетрагидрофуран-d8. Наконец, экстракт сушат безводным сульфатом натрия. Анализ экстракта выполняется с помощью газовой хроматографии с масс спектрометрией. Разработанная в [5] методика дает минимальный порог обнаружения 1,4-диоксана в воде 0.04 нг/мл.

Недостатками методики являются:

1. Предложенная в [5] методика пробоподготовки позволяет проводить детектирование в простой матрице (воды), при применении к сложной матрице эффективность экстракции существенно снизится поскольку используются не оптимальные адсорбенты для 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана.

2. Длительность методики, необходимость предварительной очистки образца воды, использование дорогостоящих картриджей Waters АС-2 Sep-Pak или Supelco Supelclean ENVI-Carb Plus.

Предлагаемое изобретение направлено упрощение процедуры пробоподготовки, снижение требуемых материальных затрат и создание высокочувствительной методики, позволяющей определять содержание 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана в молоке.

Технический результат достигается за счет разработки новой быстрой методики твердофазной микроэкстракции в свободном пространстве 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана из образцов молока с использованием фуллеренов С₂₀ в качестве адсорбента, а также оптимизации всех этапов процедуры экстракции и определения концентрации аналитов.

Разработанная методика определения содержания 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана в образцах молока включает в себя: предварительное концентрирование диоксана и диоксолана методом твердофазной микроэкстракции, где в качестве адсорбента, элюента и внутреннего стандарта для достижения наибольшей эффективности необходимо использовать фуллерены С₂₀, глубокий эвтектический растворитель ментол/муравьиная кислота и 1,3-диоксан, соответственно; после экстракции количество аналитов определяется с использованием газовой хроматографии в режиме ввода проб большого объема с применением пламенно-ионизационного детектора.

Разработанная процедура подготовки проб заключается в следующем: 2 г молока с добавлением аналитов (1,4-диоксан или 2-метил-1,3-диоксолана) в концентрации 100 нг/мл переносится во флакон и образец смешивается с 1,3-диоксаном в концентрации 25 нг/мл в качестве внутреннего стандарта. Затем к смеси добавляется 0.50 мл ацетона и пробирка закрывается узкой трубкой, содержащей 30 мг адсорбента, состоящего из фуллеренов С₂₀. Устройство для экстракции перемешивается в течение 3 мин. На этом этапе аналиты и внутренний стандарт помещаются в свободное пространство раствора образца, а затем они адсорбируются на сорбенте. После этого адсорбированные аналиты медленно элюировали с помощью 50 мкл глубокого эвтектического растворителя ментол/муравьиная кислота. Далее глубокий эвтектический растворитель ментол/муравьиная кислота, содержащий аналиты и внутренний стандарт, отбирался в стеклянный микрошприц и данная смесь вводилась в порт ввода пламенно-ионизационного детектора системы газовой хроматографии (DANI 1000, Монца, Италия), снабженного инжектором парообразования с программируемой температурой. Инжектор парообразования с программируемой температурой выдерживается при 80°С в течение 2 минут, затем температура увеличивается до 300°С со скоростью 400°С/мин. Скорость вентиляционного потока инжектора парообразования с программируемой температурой составляет 120 мл/мин. Гелий используется в качестве газа-носителя при постоянной линейной скорости 30 см/с. Разделение аналитов проводится на капиллярной колонке DB-1 (100% диметилсилоксан, внутренний диаметр 30 м×0.53 мм, толщина пленки 3.0 мкм) (Agilent, Санта-Клара, США). Колонка выдерживается при 40°С в течение 5 мин, затем ее температуру необходимо повысить до 200°С со скоростью 5°С/мин и выдерживать при 200°С в течение 3 мин. Температура пламенно-ионизационного детектора необходимо поддерживать на уровне 300°С.

В таблице 1 представлены результаты квантово-химических расчетов энергии адсорбции 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана на различные адсорбционные частицы. Из представленных данных видно, что наибольшая (по модулю) энергию связи возникает при взаимодействии 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана с фуллереном С₂₀. Следовательно, для экстракции как 1,4-диоксана, так и 2-метил-1,3-диоксолана оптимальным адсорбентом будет являться фуллерен С₂₀. Использование фуллеренов С₂₀ в качестве адсорбентов позволяет экстрагировать 1,4-диоксан и 2-метил-1,3-диоксолан даже из образцов со сложным химическим составом, например из образцов молока.

На фиг. 1 представлены результаты экспериментальных исследований по определению оптимального объема экстракционного растворителя (ацетона). Оптимальный объем составляет 0.5 мл.

На фиг. 2 представлены результаты экспериментальных исследований по определению оптимального вещества, которое может быть использована в качестве элюента (фиг. 2а), а также его необходимого объема (фиг. 2б). Рассматривались Menthol: FA - ментол/муравьиная кислота; Menthol: АсОН - ментол/уксусная кислота; Menthol: РА - ментол/фосфатидная кислота. Оптимальным элюентом является ментол: муравьиная кислота объемом 50 мкл.

На фиг. 3 представлены результаты экспериментальных исследований по определению оптимального значения времени перемешивания, которое составляет 3 мин как в случае 1,4-диоксана, так и в случае 2-метил-1,3 диоксолана.

На фиг. 4 представлены результаты экспериментальных исследований по определению оптимального количества адсорбента (фуллеренов С₂₀), которое составляет 30 мг.

Достижение заявленных значений эффективности экстракции (89-90%), стандартного отклонения (<5%) и пределов обнаружения (0.09 и 0.13 нг/мл) 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана в образцах молока проверено с помощью системы газового хроматографа/пламенно-ионизационного детектора DANI 1000 (Монца, Италия), снабженного инжектором парообразования с программируемой температурой.

Указанные изменения, внесенные в методику прототипа, в совокупности позволяют получить эффективность экстракции 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана из образцов молока в диапазоне 89-90% с относительным стандартным отклонением менее 5%, а также обеспечивает пределы обнаружения 0.09 и 0.13 нг/мл для 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана соответственно.

Список литературы

1. М. Sun, С. Lopez-Velandia, D.R.U. Knappe. Environmental Science & Technology 50, 2246 (2016), DOI 10.1021/acs.est.5b05875.

2. Y.-M. Park, H. Pyo, S.-J. Park, S.-K. Park. Analytica Chimica Acta 548, 109 (2005), DOI: 10.1016/j.aca.2005.05.057.

3. D.K. Stepien, P. Diehl, J. Helm, A. Thoms, W. Water Research 48, 406 (2014), DOI: 10.1016/j.watres.2013.09.057.

4. S.M. Simonich, P. Sun, K. Casteel, S. Dyer, D. Wernery, K. Garber, G. Carr, T. Federle. Integrated Environmental Assessment and Management, 9, 554 (2013), DOI: 10.1002/ieam.1448.

5. MUNCH, J.W. AND P. GRIMMETT. Method 522 - Determination of 1,4-Dioxane in Drinking Water by Solid Phase Extraction (SPE) and Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC/MS) with Selected Ion Monitoring (SIM). U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC, 2008.

Способ обнаружения 1,4-диоксана и 2-метил-1,3-диоксолана в пробе, включающий подготовку пробы методом твердофазной микроэкстракции с использованием адсорбента, элюента и внутреннего стандарта и ее введение в систему газовой хроматографии, отличающийся тем, что в качестве пробы используется молоко, а в качестве адсорбента, элюента и внутреннего стандарта используются фуллерены С₂₀, глубокий эвтектический растворитель ментол/муравьиная кислота и 1,3-диоксан соответственно и пробу вводят в пламенно-ионизационный детектор системы газовой хроматографии.