Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. 11
1.1. Источники, токсичность и трансформация мышьяка в природе . 11
1.2. Методы определения химических форм мышьяка в природных водах, 20
1.2.1. Пробо подготовка и хранение проб природных вод. 20
1.2.2. Методы разделения. 20
1.2.2.1. Селективная генерация гидридов. 22
1.2.2.2. Газовая хроматография. 24
1.2.2.3. Капиллярная газожидкостная хроматография. 25
1.2.2.4. Высоко эффективная жидкостная хроматография. 26
1.2.2.4.1. Ион-парная обращено-фазная хроматография. 26
1.2.2.4.2. Ионно-обмегшая хроматография. 29
1.2.2.4.3. Другие типы жидкостной хроматографии. 33
1.2.2.5. Твердофазная экстракция на картриджах 35
1.2.2.6. Капиллярный электрофорез. 36
1.2.2.7. Методы химического разделения. 50
1.2.2.8, Разделение биосорбцией с применением водорослей. 52
1.2.3. Методы детектирования. 52
1.2.3.1. Атомно-спектральные методы детектирования. 52
1.2.3.1.1. Атомио-абсорбционная спектрометрия. 52
1.2.3.1.2. Атомно-флуоресцентная спектрометрия. 54
1.2.3.1.3. Атомно-эмиссионная спектрометрия. 54
1.2.3.1.4. Масс-спектрометрия. 55
1.2.3.1.5. Применение гидридной генерации, как способа ввода пробы в атомизатор или источник ионов. 58
1.2.3.2. Молекулярная масс спектрометрия 64
1.2.3.3. Спектрофотометр. 68
1.2.3.4. Непрямое флуориметрическое детектирование. 69
1.2.3.5. Спектрофоіометрическое и флуориметрическое детектирование в сочетании с химической дериватизацмей. 69
1.2.3.6. Другие редко встречающиеся методы детектирования. 75
1.2.4. Способы обогащения пробы. 76
1.3. Резюме. 81
Глава 2. Материалы и оборудование. 84
2.1. Оборудование. 84
2.2. Применяемые реактивы. 86
Глава 3. Разработка методики хромато-атомпо-абсорбционного с электротермической атомизацией определения химических форм мышьяка. 89
3.1. Методика эксперимента. 89
3.1.1. Выбор условий хроматограф ичес ко го разделения арсената, арсеиита, диметиларсинита и монометиларсоната . 89
3.1.2. Оптимизация параметров детектирования с применением атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией. 93
3.2. Результаты и обсуждение. 95
3.2.1. Методика определения химических форм мышьяка с природных водах. 95
3.2.2. Метрологические характеристики методики. 97
3.2.3. Практическое применение разработанной методики. 98
3.3. Заключение. 99
Глава 4. Разработка методики определения химических форм мышьяка с применением
дери ватизации. і 01
4.1. Выбор реагента для деривата рации . 101
4.1.1. Методика эксперимента. 102
4.1.2. Результаты и обсуждение. 106
4.1.2.1. Реакции, требующие приведения определяемых химических форм мышьяка к единой аналитической форме. 106
4.1.2.2. Изучение возможности переведения определяемых химических форм мышьяка арсенат. 110
4.1.2.3. Реакции, не требующие предварительного приведения определяемых форм мышьяка к единой аналитической форме. 113
4.1.2.3.1. Образование молибдомышьяковых комплексов арсената, арсеиита, диметиларсинита и монометиларсоната. 113
4.1.2.3.2. Исследование взаимодействия арсената, арсеиита, диметиларсинита и монометиларсоната с молибдованадатом. 134
4.1.2.3.3. Применение люминола в качестве флуоресцентной метки на молибдованадомышьяковые комплексы химических
форм мышьяка. і 45
4.2. Изучение возможностей применения высокоэффективной жидкостной хроматографии в сочетании с химической дериватизацией для определения химических форм мышьяка. 1 54
4.2.1. Методика эксперимента. 154
4.2.2. Результаты и обсуждение. 157
4.2.2.1. Пост-колоночная дериватизация. 157
4.2.2.2. Колоночная дериватизация. 1 58
4.2.2.3. Пред-колоночная дериватизация. 160
4.2.3. Заключение. і 63
4.3. Применение капиллярного электрофореза в сочетании с химической дериватизацией для определения химических форм мышьяка. 164
4.3.1. Методика эксперимента. 164
4.3.2. Результаты и обсуждение. 167
4.3.2.1. Оптимизация условий определения химических форм мышьяка методом капиллярного электрофореза. 167
4.3.2.2. Методика анализа. 1 77
4.3.2.3. Метрологические характерне гики методики определения химических форм мышьяка с применением метода капиллярного электрофореза с дериватизацией in-.si.tu. 1 79
4.3.2.4. Анализ реальных образцов природных вод, 180
4.3.3. Заключение. 192
ВЫВОДЫ 193
ЛИТЕРАТУРА 194
- Источники, токсичность и трансформация мышьяка в природе
- Оборудование.
- Выбор условий хроматограф ичес ко го разделения арсената, арсеиита, диметиларсинита и монометиларсоната
- Выбор реагента для деривата рации
Введение к работе
С ростом антропогенного воздействия на окружающую среду вес большую актуальность приобретают вопросы экологического мониторинга и анализа природных объектов. При этом распределение элемента между химическими формами, несомненно, несет более важную информацию, чем его суммарное содержание по следующим причинам:
1. Различные химические формы одного її того же элемента могут обладать разной токсичностью. Например, для ртути и мышьяка наблюдаются следующие ряды токсичности: (CH3)2Hg > CHjHgX > HgX2> Hg AsO?" > AsO.;J" > диметиларсииит > моиометиларсонат
Химическая форма элемента определяет его подвижность и пути миграции в природе.
При определении суммарного содержания элемента із ряде случаев величина аналитического сигнала зависит от его химической формы (например, в атомно-абеорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией и инверсионной вольтам пером етрип).
Особое значение информация о химических формах приобретает при изучении экосистем техногенного характера и процессов трансформации элементов в пространстве и времени по пути к источникам питьевой воды, естественным биоценозам и в атмосфере.
Среди известных токсикантов серьезную экологическую опасность представляют соединения мышьяка, главным источником которого является горнодобывающая промышленность. Поэтому в мировой практике проводится большое число исследований, посвященных определению химических форм мышьяка в природных объектах. Однако. большинство используемых методов являются сложными и дорогостоящими ДЛЯ рушпного анализа.
Цель диссертационной рабо і ы состоит в разработке простой и экспрессной методики определения четырех наиболее распространенных в пресноводных экосистемах форм мышьяка (арсенат-, арсенит-, моиометиларсонат- и диметиларсиниі-ионов) на уровне ПДК (0.050 мг/л). Для решения этой задачи предстояло:
Провести исследования по выбору способа разделения химических форм мышьяка.
Изучить возможности элемсптселективного детектирования в сочетании с выбранным способом разделения.
Оцепить возможности химической дериватизации для определяемых соединений мышьяка с целью повышения чувствительности их определения с применением простых детекторов проточного типа. Эта часть работы включала; выбор реагента для переведения четырех определяемых форм мышьяка в соединения, обладающие высокой флуоресценцией или экстинкцией. выбор и оптимизацию условий разделения (методом высокоэффективной жидкостной хроматографии или капиллярного электрофореза) для определения химических форм мышьяка со спегстрофотометрическим или флуориметрическим детектированием после химической дериватизации.
Разработать методику определения химических форм мышьяка методом высокоэффективной жидкостной хроматографией с атомно-абсорбционным детектированием с электротермической атомизацией в режиме off-line и применить разработанную методику к анализу реальных проб.
Разрабоїать методику определения арсенат-, арсенит-, монометиларсонат- и диметиларсинит-ионов в природных водах со спектрофотометрическим или флуориметрическим детектированием с применением дериватизацЕШ.
Показать применимость разработанных методик к анализу реальных проб природной воды различного состава. Наиболее важные научные результаты:
Разработана и применена к анализу реальных проб техногенных вод методика определения арсенат-, арсенит-, диметиларсинит- и монометиларсонат- ионов в природных и техногенных водах с применением высокоэффективной жидкостной хроматографии и атомпо-абсорбционного детектирования с электротермической атомизацией. Пределы обнаружения составляют 0.05-0.07 мг/л, относительная погрешность - 20-30%.
Выбран реагент для одновременного переведения определяемых химических форм мышьяка в производные, обладающие высоким коэффициентом экстпнкции для определения химических форм мышьяка с применением епектрофотометрического детектора.
Выбраны условия одновременного образования молмбдомышьяковых комплексов арсенат-, арсенит-, монометиларсонат- и диметиларсинит-ионов в водных растворах и изучен их состав.
Впервые изучено коплексообразование мышьяка(Ш) в растворах молибдата. определена стехиометрия и предложена структура образующегося комплекса.
Впервые показано, что в растворах при низких концентрациях мономстнларсонат-. диметиларешшт- и арсениг-иоиов (lO^-lO'"' М) и избытке молибдата образуются гетеро пол и комплексы с высокими коэффициентами :-жстипкции.
В условиях максимального поглощения (Mo:V=l:l, pi I 3) предложен состав образующихся молибдовапа до мышьяковых комплексов арсенат-иона (H^AsMon. „VnO^^1).
Показано влияние определяемых химических форм мышьяка на интенсивность хемилюминесценции люминола в присутствии молибдата и ванадата и выбраны условия максимального увеличения сигналов хемилюминесценции.
Предложен механизм реакции окисления люминола с последующей хемнлюминесцепцией в присутствии гетерополикомплекса диметиларсинит-иона.
Разработана и использована для анализа реальных проб методика определения арсснит-, арсенат-, монометиларсопат- и диметиларсипит-ионов в природных и техногенных водах с применением капиллярного электрофореза с дериватнзацией in-situ и спектрофотометричеекмм детектированием (КЭФ-СФ) с пределами обнаружения 0.005 - 0.02 мі /л.
Практическая значимость:
Разработаны новые методики определения химических форм мышьяка в природных и техногенных водах, которые могут быть реализованы в аналитических лабораториях, ориентированных на анализ объектов окружающей среды. Они были применены к определению химических форм мышьяка в природных и техногенных ьодах на уровне ПД1С и ниже.
Ав гор защищает: разработанную методику определения химических форм мышьяка в природных и гехгкленных водах методом ВЭЖХ в сочетании с атомно-абсорбционным детектированием с электротермической атомизациеи. обоснование пригодности молибдата, как реагента для дериватизацин, при спектрофотометрическом определении химических форм мышьяка. выводы по химии образования молибдомышьяковых и молибдованадомышьяковых комплексов химических форм мышьяка. - разработанную методику определения химических форм мышьяка в природных и техногенных водах с применением капиллярного электрофореза с химической дериватшацией и спектрофотометрическим детектированием.
Работа выполнена в 1997 - 2006 гг в аналитической лаборатории Института неорганической химии имени Николаева СО РАН в рамках интеграционного проекта СО РАН «Геология и геофизика окружающей среды Сибири 1997 г.», в рамках целевой программы НИХ СО РАН (2000-2001) «Исследование форм существования благородных, цветных и редких металлов в растворах , их строения и реакционной способности для создания новых методов получения и очистки веществ, высокоэффективных технологических процессов и решения экологических задач», в соответствии с планом НИР НИХ СО РАН по теме 17.4 «Защита атмосферы, природных вод и почв», проект N16 (2002-2004).
Автор выражает благодарность Нине Федоровне Бензель за сотрудничество в разработке ВЭЖХ-ЭТА-ААС методики определения химических форм мышьяка и Мартину Александровичу Федотову за результаты ЯМР спектроскопического исследования гетеро поликомплексов химических форм мышьяка и их интерпретацию.
title1 Источники, токсичность и трансформация мышьяка в природе link1
В природных и биологических системах присутствуют около 20 различных химических соединений мышьяка [IJ. Различия в их токсичности, биодоступности. стабильности, физиологическом воздействии, биохимическом и транспортном поведении требуют определения индивидуальных форм мышьяка. Уже давно ясно, что определение общего содержания мышьяка не достаточно для клинических и экологических исследований. Поэтому для оценки токсичного потенциала для человека и окружающей среды необходимо не только знать концентрацию мышьяка, как элемента, но и выделять отдельные формы, так как при определении суммарной концентрации риск может быть существенно недооценен или переоценен в зависимости от перераспределения мышьяка между формами [2, 3]. Так, определение химических форм мышьяка в моче в клинических исследованиях позволяет различать отравление, связанное с более токсичными неорганическими формами мышьяка, то есть промышленного происхождения, и с менее токсичными органическими (отравление связано с рационом питания) [4, 5].
При изучении загрязнения мышьяком природных вод, почв и донных осадков определение химических форм является базовым для понимания таких ключевых аспектов, как биоаккумуляция и переходы мышьяка между фазами (адсорбция, коагуляция, соосажденис, улетучивание) [6J. Известно, что As(III) является наиболее фитодоступным в сравнении с другими формами мышьяка, находящимися в почве. Поэтому считается, что в процессе захвата мышьяка растениями, гипераккомулирующими мышьяк, примером которых может служить кустарниковый папоротник, происходит восстановление арсепата до арсенит-иопа и переход мышьяка в раствор из оксидов и гидроксидов железа в ризосфере благодаря восстановлению Fe(III) до Ре(П). Такой трансформации может способствовать выброс восстановителей самими растениями ]6. Вообще, выщелачивание мышьяка из почв происході-п с участием процессов восстановления, так как As(ITI) более подвижен, чем As(V). Интересно отметить, что пределы рН и red-ox потенциала (Е,) для окислительно-восстаповительпых изменений очень узки [7]. Это означает, что преобразование может происходить даже при незначительных изменениях условий.
Присутствие мышьяка в природе обусловлено как человеческой активностью, так и природными источниками. Антропогенными источниками мышьяка являются: горное дело [8, 7], ченая и цветная металлургия [7. 9, 10J; нефтеперерабатывающие заводы [8: стекольная промышленность [10]; изготовление пропиточных составов для древесины [7J: использование метиларсопата мононатрия в качестве пестицида и метиларсоната дннатрия в качестве гербицида [7]; инсектициды ; широкий спектр соединении мышьяка в электрофотографии, катализе, пиротехнике, красках для і ісобрас тающих покрытий, фармацевтических препаратах [7. К природным источникам мышьяка относятся морские осадочные породы [8], ископаемое топливо [8], геотермальная и вулканическая активность [7]. 4-гидрокси-3-нитро6снзилмышь;пговая кислота или 4-амииобепзилмышьяковая кислота используются при выращивании домашних птиц для предотвращения заболеваний и увеличения эффективности подкормки [ 1 ] . В прибрежных районах используют водоросли, как удобрение. Известно, что водоросли богаты арсеносахарами (Сд., 100 мкг/г) [12]. Арсеносахара нетоксичны, однако, в окружающей среде могут перейти в токсичные формы мышьяка [12], В работе !2 исследована трансформация арсеносахаров в мезокоемс. Показано, что они переходят в ДМА, As(III) и As(V), предложен механизм такого превращения.
Трансформация мышьяка в окружающей среде происходит благодаря окислительно-восстановительным процессам и биометилированию, которое протекает с участием живых организмов. Окислительно-восстановительные равновесия в системах с мышьяком описываются диаграммой, представленной на рисунке 1 [131. По данным авторов [7] As(III) является преобладающей формой при низких рН и в анаэробных условиях, As(V) при высоких рН и в аэробных условиях.
Оборудование
В работе использовались микроколо ночные хроматографы «Милихром 1» и «Милихром 2» с программным обеспечением С lira т. Оба прибора снабжены насосами шприцевого типа объемом 2.5 мл, УФ детектороми с диапазоном X 190 - 360 им и микрокюветами проточного типа объемом 1.6 мкл. В схему прибора «Милихром 2» входит автосемплер для автоматизации процедуры анализа. В работе использовались, хрома юграфические колонки 2x62 мм, заполиеиые сорбентами UChrospher 100 RP-i8e (Merck, Германия) и КАХ-1 Силасорб 600 (ПО «Научприбор», г. Орел) с размером частиц 5 мкм.
Для атомно-абсорбциош-юго определения химических форм мышьяка применяли атомио-абсорбциониый спектрофотометр Hitachi 8000Z (Япония) с графитовым атомизатором фирмы Hitachi и лампой полого катода с длиной волны возбуждения 193.7 им.
Спсктрофотометричсские исследования проводились на приборе Specord М-40 в диапазоне v 50000 - 30000 см" .
Спектры ЯМР 5lV регистрировали на спектрометре Bruker MSL-400 при комнатной температуре, частоте резонанса 105,15 МГц и частоте накоплений 20 Гц. Химсдвиги измерены относительно VOCi;;.
ИК спектры твердых образцов солей гетерополикислот снимали на приборе Specord IR-75.
Рептгенофоч оэлектрониые спектры (РФЭС) AS2O3 и гетерополикомплекса As(III) снимали на приборе ES-300 (Kratos analytical). 1 Іоправку на подзпарядку образца к энергиям связи пиков производили по линии СI s (284,8 эВ),
Сигналы люминесценции и хемилюминесцеицни. а также поглощение ацетоновых растворов соединений ГПК химических форм мышьяка с родамином С измеряли па флуорометре «Флюорат 02 - 2М» (Люмэкс, Санкт-Петербург, Россия) в кварцевых кюветах толщиной I см. Для определения химических форм мышьяка с применением дериватизации использовали системы капиллярного электрофореза «Капель 103 Р» и «Капель L04 Т» (Люмэкс, Санкт-Петербург. Россия) с платиновыми электродами и кварцевыми капиллярами, покрытыми полиамидом, длиной 300-700 мм и внутренним диаметром 75 мкм. Для обработки результатов использовалось программное обеспечение «Мультихром для Windows 95-98». УФ-детектирование проводилось на длине волны 254 им. Детектор расположен на расстоянии 90 - 95 мм от выходного конца капилляра. Прибор «Капель 104 X» оснащен также термостатом для поддержания постоянной температуры капилляра. Диапазон рабочего напряжения - 1 - 25 кВ, максимальный ток нагрузки -200 мкА. В качестве источников высокого напряжения использовали два сменных блока с различной полярностью.
Значения рН растворов контролировали с помощью рН-метров-кондуктометров «И-130» и «Анион 450» с хлорсеребряным и стеклянным электродами, которые калибровались по буферным растворам с рН 1.1.4.1,6.86 и 9.18.
Выбор условий хроматограф ичес ко го разделения арсената, арсеиита, диметиларсинита и монометиларсоната
При выборе условий разделения химических форм мышьяка использовались стандартные растворы индивидуальных форм и их смеси с концентрациями каждой формы 100 и 50 мг/л в пересчете на мышьяк. В качестве элюента использовались растворы гидросульфата тетрабутиламмония. Непосредственно перед использованием элюент фильтровали и дегазировали в токе аргона в течение І0 мин. Скорость потока элюента составляла 100 мкл/мин. Сп.ектрофотометрическое детектирование проводили нп длине волны, отвечающей максимуму поглощения определяемых форм мышьяка (190 им).
Разделение арсенат-, арсенит-, монометиларсондт- и диметиларсипит-ионов проводилось с использованием ВЭЖХ в варианте обращеппо-фазной ион-парной хроматографии. Известно, что эти соединения являются слабыми кислотами, степень диссоциации и эффективный заряд анионов которых зависит от констант диссоциации и рН подвижной фазы. Сульфат тетрабутиламмония, используемый в качестве элюента, обладает гидрофобными свойствами благодаря присутствию алкильных групп. Гидрофобный катион тетрабутиламмония образует с разделяемыми анионами ионные пары, по-разному удерживаемые на гидрофобном сорбенте. Чем выше эффективный заряд аниона, тем сильнее он удерживается. Кроме того, мегилытые группы ДМА и ММА могут участвовать в гидрофобном взаимодействии с сорбентом, чю усложняет картину хромата графического поведения определяемых форм мышьяка. При выборе условий разделения варьировали рП и концентрацию элюента. С изменением рН подвижной фазы меняется соотношение времен удерживания разделяемых анионов, т.к. меняется их эффективный заряд и сродство ионных пар к колонке, а с изменением концентрации элюента соотношение времен удерживания сохраняется, но времена удерживания компонентов либо пропорционально растут (уменьшение ионной силы элюента), либо пропорционально падают (увеличение ионной силы элюента). Полученные хроматограммы представлены на рисунках !0 и Н. Видно, что наилучшему разделению соответствуют рН 8.1 и концентрация элюента 5 мМ.
class4 Разработка методики определения химических форм мышьяка с применением
дери ватизации. class4
Выбор реагента для деривата рации
В литературе описаны реакции только для определения арсенат- и арсснит-ионов. Поэтому применение этих реакций для определения других химических форм мышьяка требует их предварительного приведения к единой аналитической форме после предварительного разделения. Мы оценили возможности применения известных в литературе реагентов для определения химических форм мышьяка после их разделения и приведения к единой аналитической форме.
Применении вольфрамита в качестве реагента.
Известна методика спектрофотометрического определения арсената в растворе с использованием реакции образования арсеновольфрамата в кислой среде (рН 2), поглощающего в ультрафиолетовой области (260-270нм) с пределом обнаружения 0.06 мг/л [169]. В работе предложена стехиометрия образующихся комплексов AsWi: и AsW?4- Существование комплекса стехиометрии 1:24 не подтверждается другими литературными данными. Можно предположить, что образование комплекса ASWQ происходит в соотвествии с уравнением:
As V" + 12W042" + 27Н+= I-bAsW204o + 12Н20
Для оценки применимости указанной реакции нами изучены спектры поглощения холостого раствора вольфрамата натрия и вольфрамата натрия в присутствии арсената (рис. 14).
Отсутствие аналитического сигнала в спектре говорит о том, что предел обнаружения арсената, приведенный в [169], скорее всего, не соответствует указанному в работе.
Полученные нами результаты указывают на невозможность применения данной реакции для деривапгании по следующим причинам:
I. R работе [169 оценка чувствительности метода была, по-видимому, выполнена не совсем корректно, так как сначала смешивались концентрированные растворы арсената и вольфрамита с последующим разбавлением для фотометрического анализа. При /пом гге были учтены кинетические затруднения, характерные для гетерополисоединениії вольфрама, которые могут возникнуть в случае низких концентраций реагентов, что. невидимому, и повлияло на отличие полученных нами результатов от литературных данных при концентрации вольфрамата 2.4-10"" моль/л и концентрации арсепата МО""1 моль/л. 2. Кроме того, величина аналитического сигнала может зависеть от последовательности смешения реагентов- так как соблюдение этой последовательности рекомендовано в методике.
