Лекция 10. Общие вопросы аналитической химии токсикантов

Природные объекты являются одними из наиболее сложных (в том числе и по количеству анализируемых компонентов) объектов аналитической химии, особенно в тех случаях, когда необходимо определение токсикантов, присутствующих в следовых количествах. При этом во многих ситуациях необходимо не только решить задачу корректного определения количества токсикант, но и выяснить источники и пути попадания загрязнителей и окружающую среду.

На основе достижений физических и физико-химических методов анализа, прежде всего хроматографии и массс-спектрометрии, сформировалась самостоятельная область аналитически» химии – анализ токсикантов. В настоящее время аналитическая химия токсикантов имеет свои разработки по пробоотбору, вы делению и разделению анализируемых компонентов, методам детектирования следовых количеств загрязнителей и др. Развитие этой области тем или иным образом оказывает воздействие и на многие смежные дисциплины: биохимию, клиническую химию, медицину, судебную химию, химию допинговых веществ и т.д., поскольку там тоже решаются аналогичные задачи. В настоящее время все большее значение приобретает контроль токсикантов и пищевых продуктах и в продукции, выпускаемой фармацевтической промышленностью. Кроме того, для использования в производстве пищевые продуктов и лекарственных препаратов многие соединения должны иметь чрезвычайно высокую степень чистоты, так как все больше соединений вовлекаются ы эти технологии, и загрязнения здесь неуместны.

Особенности анализа следовых количеств загрязняющих веществ. В литературе не существует единого мнения относительно уровня концентраций, при которых становится оправданным применение термина «следовые количества». В общем случае за следовые принимают концентрации веществ в диапазоне от миллионных долей (10^–4%) и ниже. В табл. 10.1 приведены сокращенные обозначения и единицы измерения для концентраций, наиболее часто применяющихся в анализе токсикантов. Иногда концентрацию выражают в весьма произвольных единицах, например, содержание диоксинов в пг/год, а ПАУ – в нг/чел.

Таблица 10.1 Сокращенные обозначения и единицы измерения следовых количеств веществ*

Массовая доля	%	Отношение масс	* мг – миллиграмм (10^–3 г); мкг – микрограмм (10^–6 г); нг – нанограмм (10^–9 г); пг – пикограмм (10^–12 г); фг – фемтограмм (10^–15 г).
10^–6 (ppm)	10^–4	мкг/г (мг/кг)
10^–9 (ppb)	10^–7	нг/г (мкг/кг)
10^–12 (ppt)	10^–10	пг/г (нг/кг)
10^–15 (ppq)	10^–13	фг/г (пг/кг)

До недавнего времени в анализе следовых количеств основное внимание уделялось определению неорганических соединений. В последние годы возросло злободневнее становится задача анализа следовых количеств органических веществ, так что появились и нормативные документы, определяющие требования к организации и проведению эколого-аналитического мониторинга токсикантов. Введение этих документов в действие конечном итоге базируется на умении химиков-аналитиков точно идентифицировать и определять токсичные органические соединения на уровне следовых количеств в самых различных природных матрицах.

Взаимосвязь анализа следовых количеств с требованиями практики прослеживается в судебной химии, а также в вопросах контроля качества фармацевтических препаратов. При этом приходится определять содержании различных соединений на уровне нанограммов и ниже в 1 мл плазмы крови или мочи. Основные трудности в анализе следовых количеств органических токсикантов связаны с тем, что для большинства соединении практически отсутствуют типовые схемы, аналогичные схемам разделения и концентрирования, применяемым в анализе следовых количеств неорганических соединений, и зачастую в биологических объектах встречаются соединения, аналогичные по свойствам изучаемым, причем зачастую в больших количествах. Это затрудняет анализ. В лучшем случае можно применять типовые схемы их разделения на группы. Классическим примером может служить схема разделения ХОС методом колоночной хроматографии на силикагеле. Однако добиться полного группового разделения, как правило, не удается.

Другой проблемой является отсутствие методов, в одинаковой мере специфичных и чувствительных для соединений различных классов. Разработанные в последнее время приборы (например, с масс-спектрометрическими детекторами) частично снимают эту проблему, хотя чрезвычайно дороги и могут обслуживаться лишь специалистами самого высокого уровня. Ряд компонентов (ПХДД, ПХДФ, ПХБ и др.) удается идентифицировать только благодаря применению взаимно дополняющих методов, напр. газо-жидкостная хроматография – масс-спектро-метрия (ГЖХ-МС), газо-жидкостная хроматография – фурье-спектро-скопия в инфракрасной области (ГЖХ-ИК-ФС).

Заметим также, что хотя в последние годы достигнут большой прогресс в совершенствовании инструментальных методов анализа и приборного обеспечения, пока не разработаны методы, которые позволили бы определять следовые количества высокотоксичных загрязнителей непосредственно в матрице без предварительного разделения и концентрирования. При определении уровней загрязнения природных объектов и пищевых продуктов токсикантами необходимо располагать объективными критериями оценки правильности результатов аналитических измерений. С учетом того, что обеспечение достоверности химико-аналити-ческой информации в случае токсикантов имеет особое значение, заметно повышаются требования к квалификации аналитиков, которые должны владеть знаниями и методами не только аналитической химии, но и математической статистики, без чего невозможны минимизация и предупреждение погрешностей, выявление причин, вызывающих ошибочные результаты, планирование качества химического анализа.

Методы скрининга в анализе токсикантов. Поскольку анализ следовых количеств веществ чрезвычайно дорог, очень часто появляется необходимость в быстрых и достаточно простых методах обнаружения токсикантов. В таких случаях применяют методологию скрининга, которая допускает неправильные положительные результаты, но полностью исключает неправильные отрицательные результаты. При этом пробы, давшие положительный результат, анализируются далее с применением более совершенных и чувствительных методов, в то время как отрицательные результаты скрининга принимают без дополнительной проверки. Таким образом, удается значительно сократить объем работы и удешевить стоимость аналитического контроля. Обязательным условием скрининга является наличие положительного аналитического сигнала в тех случаях, когда загрязняющее вещество присутствует в пробе на уровне ПДК. Так, в качестве примера скрининга можно привести изучение образцов молока на содержание афлатоксинов, из которых часть дали положительную реакцию, и были проверены более тщательно с помощью хромато-масс-спектрометриии. В настоящее время для скрининга наиболее пригодны методы иммунохимического анализа, которые имеют высокую чувствительность и дают положительную реакцию в присутствии большинства токсикантов на уровне 10^-12-10^-9 г/л. Надежность результатов скрининга повышается при использовании двух независимых методов, например иммунохимического анализа и тонкослойной хроматографии (ТСХ)

Массовые методы должны имеют ряд особенностей: 1) Максимальную автоматизацию; 2) ориентировочность относительно количества;
3) вследствие первых двух – анонимность образцов, что зачастую требует повторов; минимальную цену анализа.

При скрининге применяются тщательно отработанные методы анализа, в том числе качественные и полуколичественные, например цветные реакции в индикаторных трубках. В последних газообразную пробу пропускают через слой сорбента, модифицированного селективным реагентом. Микрограммовые количества ДДТ и альдрина в растениях можно обнаружить по окрашенным пятнам на индикаторной бумаге, пропитанной 1%-ным раствором о -толуидина в ацетоне: достаточно выдержать влажный срез растения в контакте с бумагой в течение 30 с. Предложены также индикаторные бумаги для определения ртути, кобальта и других тяжелых металлов. Следует заметить, что в настоящее время ощущается большая потребность в достаточно простых и чувствительных методах определения высокотоксичных веществ.

Оценка качества результатов анализа токсикантов. В основе любого заключения о сложившейся экологической ситуации и тенденции ее изменения (улучшения или ухудшения) лежит информация. В подавляющем большинстве случаев источником такой информации являются результаты аналитических измерений. Аналитические измерения осуществляются для: 1) контроля происходящих в окружающей среде изменений и выявления вызвавших их причин; 2) получения вторичной информации, основанной на результатах наблюдений или контроля; 3) прогнозирования тенденций изменения экологической ситуации на локальном, региональном, глобальном уровнях. Для этого аналитическая информация должна быть достоверной как в качественном, так и в количественном аспектах, т.е. адекватно отражать содержание контролируемого вещества в объекте анализа.

Результат анализа в эколого-аналитическом контроле обычно дает ответ на вопрос, превышает ли найденная концентрация загрязнителя предельно допустимую или же отвечает гарантированному уровню. При этом информация выдается в виде интервальной оценки (С ± D) содержания контролируемого вещества х, где С = å(С_i/n) – среднеарифметическое совокупности С_i, D – доверительный интервал. Формирование значения D, характеризующего степень достоверности (точность) результатов анализа, происходит путем суммирования и погрешностей на всех стадиях (рис. 10.1). В связи с этим возникает необходимость выявления стадий, вносящих наибольший вклад в суммарную погрешность.

Рис. 10.1. Информационная аналитическая система.

На основании детального изучения большого массива аналитической информации в работе считается, что основным фактором, влияющим на достоверность результатов анализа, является стадия пробоотбора, причем погрешность определений, обусловленная пробоотбором, может достигать сотен процентов. Заметим, что во многих случаях (например, при отборе проб промышленных выбросов или воздуха в местах с интенсивным автомобильным движением) погрешность пробоотбора обусловлена сложностью объектов контроля. В этом случае содержание определяемого компонента характеризует средние величины за время отбора пробы, тогда как локальные флуктуации концентраций за этот период могут изменяться на 1-2 порядка. Поэтому основные усилия исследователей и конструкторов в настоящее время направлены на создание систем пробоотбора, гарантирующих получение проб, содержащих адекватное естественному соотношение всех компонентов.

Другое важное требование к аналитической информации - ее сопоставимость. Это требование напрямую связано с необходимостью использования данных, получаемых в различных лабораториях, причем их сопоставимость во многом зависит от погрешности анализа. Если точность результатов не одинакова, то сопоставлять их (а тем более делать выводы) весьма опасно. Следовательно, необходимо применение стандартных методик анализа, причем они должны постоянно сравниваться с новыми разработками и при необходимости заменяться.

Надежность аналитической информации в случае токсикантов напрямую зависит также от применения специфических средств обеспечения качества результатов химического анализа. В частности, если случайные погрешности рассчитываются по результатам анализов образцов с неизвестной концентрацией определяемого компонента с помощью методов математической статистики, то для оценки систематических погрешностей, как правило, необходимы образцы известного состава.. Однако трудность состоит в том, что для большинства токсикантов нет стандартных образцов состава в объектах природного происхождения ввиду их изменчивости. Кроме того, «стандартный эталонный материал» определяют как материал, к которому для обеспечения точности и воспроизводимости результатов анализа должны быть применены три метода измерения: точный, эталонный и независимый. В случае следовых количеств токсикантов адекватные методы анализа обычно отсутствуют. Поэтому для указанных соединений приходится ограничиваться стандартными (эталонными) веществами необходимой чистоты, которые применяются для градуировки аппаратуры или проверки метода измерения (образец-добавка). Процесс измерения контролируют добавлением известного количества вещества-добавки к анализируемой пробе (метод внутреннего стандарта). Однако в этом случае возможны неопределенности.

Первая из них заключается в том, что не гарантирована идентичность зависимостей аналитического сигнала от концентрации токсиканта в исходном образце, и добавки, а вторая связана с возможной зависимостью погрешности результатов определения от концентрации. Наконец, при отсутствии образца-добавки последний заменяют веществом (суррогатом), которое в процессе измерения ведет себя одинаково или очень похоже на определяемый компонент. Выбор суррогата требует тщательной методической проработки. Наиболее распространены среди них меченые изотопами соединения, например ПХДД, ПХДФ, ПХБ и ПАУ на основе ¹³С, применяемые в хромато-масс-спектрометрии высокого разрешения.

Следует заметить, что оценка результатов, полученных при использовании образцов-добавок и суррогатов, помимо специальных знании требует осторожности, поскольку в этом случае нельзя экстраполировать выводы на неисследованный диапазон содержаний. Измерения действительны только в интервале концентраций добавок.

Очень часто при проведении анализа возникает необходимость и градуировочных стандартах различной концентрации. Последние готовятся самими исследователями из эталонных материалов или веществ и не предназначены для использования в других лабораториях. Обычно их приготовляют из концентрированных растворов разбавлением до требуемой концентрации. Однако эта операция становится проблематичной, еcли необходим раствор исследуемого соединения в следовых концентрациях. Достаточно новой является проблема временного изменения следовых количеств образцов даже в стандартах. Аналогичная ситуация характерна, например, для растворов большинства хлорсодержащих пестицидов, которые плохо растворяются в воде. В таких случаях растворяемое вещество осаждают на носителе, например силикагеле, путем испарения раствора пестицида в другом растворителе, например гексане, в присутствии носителя. Затем через колонку с силикагелем пропускают воду. Благодаря большой удельной поверхности силикагеля вода быстро насыщается растворяемым веществом. Этот метод предложен для приготовления стандартных растворов ПАУ и ПХБ. Иногда возникает необходимость в твердых стандартных образцах, содержащих следовой компонент в известной концентрации (например при анализе почв). Для приготовления твердых стандартов упаривают досуха раствор, содержащий матрицу и определяемое вещество, а сухой остаток гомогенизируют. Можно также прибавить раствор следового компонента к сухой матрице, смесь высушить и диспергировать. Однако во всех случаях необходимо контролировать процесс приготовления твердых стандартов, поскольку не исключена опасность гидролиза и окисления Переделяемого вещества, возрастающая по мере увеличения степени. гомогенизации. Кроме того, при анализе природных объектов существует проблема получения достаточно чистых искусственных матриц, не содержащих следового компонента. Поэтому при определении следовых количеств токсикантов чаще всего применяют метод внутреннего стандарта. Обычно используют три методики.

По первой методике к анализируемому образцу добавляют известное количество определяемого вещества (метод «введено – найдено») исходный образец и образец с добавкой анализируют по одной и той же методике. Если она выбрана правильно, то все добавленное количество определяемого вещества будет извлечено и определено. Если же извлечение неполное, то метод в принципе позволяет учесть потери. Однако воспроизводимость метода не очень высока, поскольку искомая концентрация определяется по разности двух измерений, для каждого из которых характерна та или иная погрешность.

Вторая методика применяется главным образом для контроля потерь на стадии пробоподготовки. Для этого к гомогенизированное образцу добавляют меченый стандарт определяемого компонента (²Н, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁸О и др.). Особенно ярко изотопные эффекты проявляются в масс-спектро-метрии, хотя при большом количестве тяжелых атомов в молекулах возможно их полное отделение от немеченых соединений даже в условиях газожидкостной хроматографии.

По третьей методике к анализируемому образцу добавляв известное количество суррогата. Эту методику, например, используют при анализе лекарственных препаратов. Ее успех зависит от сходства поведения следового компонента и суррогата, которое должно быть по возможности максимальным. В обзоре, посвященном анализу следовых количеств лекарственных веществ, приведены некоторые часто употребляемые суррогаты. При обеспечении качества результатов анализа на уровне следовых количеств особая роль принадлежит межлабораторным экспериментам. Если учесть, что для токсикантов часто нет и одного достаточно надежного метода определения, анализ образца в нескольких лабораториях становится необходимым условием, предшествующим принятию решения. Он проводится также в тех случаях, когда необходимо определить реальную воспроизводимость методики или изучить изменчивость результатов анализа. В последнее время межлабораторный эксперимент начинает заменять процедура аккредитации лабораторий.

Для подтверждения компетентности лаборатории и ее аккредитации необходимо наличие: помещений и условий для анализа; соответствующего оборудования и реактивов; квалифицированного персонала; стандартов, методик и другой документации; стандартных образцов; руководства по качеству с изложением системы обеспечения качества анализа; положительных результатов при экспериментальной проверке компетентности лаборатории.

Руководство по обеспечению качества должно распространяться на все структуры лаборатории и применяться во всех методиках анализа. Составной частью образцовой лабораторной практики (ОЛП) является систематическая проверка и корректировка документации по обеспечению качества на основании опыта ее использования, а также новых данных науки и техники. При использовании принципов ОЛП существенно облегчается внутрилабораторный и межлабораторный контроль, поскольку устанавливаются единые правила анализа и регистрации данных. Тем самым обеспечивается такая же надежность результатов, как и при аттестации методик.

Все наиболее важные операции должен быть четко регламентированы. В частности, должны быть разработаны инструкции по работе со стандартными веществами, предусматривающие регистрацию данных об их свойствах, дате получения, способах обращения с ними и хранения. С учетом высокой токсичности большинства соединений данного класса следует иметь также инструкции по способам захоронения стандартных и исследуемых веществ, чтобы не допустить их вредного воздействия на человека и природную среду. При необходимости смешения, разведения, суспендирования или растворения анализируемых или эталонных веществ должны быть разработаны инструкции, предусматривающие проверку гомогенности стандартных растворов и стабильности анализируемых и эталонных веществ в различных матрицах, а также периодическую проверку концентраций веществ в этих материалах.

Так как при анализе следовых содержаний токсикантов приходится работать как с обычными, так и с ультрамикроконцентрациями определяемых веществ, в лаборатории должны быть предусмотрены рабочие помещения по крайней мере четырех типов. Первое предназначается для подготовки и первичной обработки образца: измельчения, гомогенизации и т.д. Во втором помещении выполняются все работы по обогащению анализируемого компонента: экстракция, колоночная хроматография, сорбционная очистка и др. В третьем помещении размещается чувствительное оборудование, в т.ч. аналитические весы, электронные и оптические приборы. В этом помещении не разрешается никакие химические операции. Четвертое помещение предназначается для хранения анализируемых образцов при пониженной температуре (до -20°С).

В самом общем виде контроль качества результатов химического анализа должен обеспечивать: 1) контроль случайных погрешностей (воспроизводимости); 2) контроль систематических погрешностей (достоверности); 3) контроль матричного эффекта в отношении воспроизводимости, достоверности и специфичности; 4) контроль отклонений в пределах одной серии; 4) установление причин отклонений и их устранение.

Таким образом, качество эколого-аналитической информации определяется прежде всего тем, насколько эффективны, точны и сравнимы между собой методы отбора проб и анализа природных объектов. Обнаружение статистических отклонений обычно сводится к выявлению этапов с максимальной погрешностью и разделению общей точности на отдельные составляющие. В этом случае последующая задача заключается в улучшении метрологических характеристик метода, их сравнении с другими, т.е. она носит исследовательский характер. Изучение метрологических характеристик методов, применяемых в анализе токсикантов, является одной из важнейших задач современной экоаналитической химии. Такие исследования позволяют оценить возможности различных методов и в зависимости от поставленной цели выбрать оптимальный метод анализа.

Дата добавления: 2014-01-05