Интегрирующий пробоотборник полярной органической химии - Polar organic chemical integrative sampler

А интегральный пробоотборник полярных органических химикатов (POCIS) - это пассивное устройство для отбора проб, которое позволяет на месте сбор интегрированного по времени среднего гидрофильный органические загрязнители разработан исследователями с Геологическая служба США в Колумбия, штат Миссури.[1] POCIS предоставляет средства для оценки токсикологический значение загрязняющих веществ, переносимых водой.[2] Пробоотборник POCIS имитирует респираторное воздействие организмов, живущих в водной среде, и может обеспечить понимание биодоступный загрязняющие вещества, присутствующие в системе.[3] POCIS может быть развернут в широком диапазоне водных сред и обычно используется для помощи в мониторинг окружающей среды исследования.

Фон

Первые устройства для пассивного отбора проб были разработаны в 1970-х годах для определения концентраций загрязняющих веществ в воздухе. В 1980 году эта технология была впервые адаптирована для мониторинга органических загрязнителей в воде.[4] Первым типом пассивного пробоотборника, разработанного для целей водного мониторинга, было устройство с полупроницаемой мембраной (SMPD).[4] Пробоотборники SPMD наиболее эффективны при поглощении гидрофобных загрязнителей с коэффициент распределения октанол-вода (Ков) в диапазоне от 4 до 8.[5] Поскольку глобальный выброс биоконцентрируемых стойкие органические загрязнители (СОЗ), как было показано, приводят к неблагоприятным экологическим последствиям, промышленность разработала широкий спектр водорастворимых, полярных гидрофильный органические соединения (HpOC) для их замены. Эти соединения обычно имеют более низкую факторы биоконцентрации. Однако есть свидетельства того, что большие потоки этих HpOC в водную среду могут быть причиной ряда неблагоприятных воздействий на водные организмы, таких как изменение поведения, нейротоксичность, эндокринное нарушение, и нарушение репродукции.[5] В конце 1990-х годов проводились исследования по разработке нового пассивного пробоотборника для мониторинга HpOC со значением log Kow менее 3.[4] В 1999 г. пробоотборник POCIS находился в стадии разработки в Университете Миссури-Колумбия. Он получил большую поддержку в начале 2000-х годов, поскольку возросла обеспокоенность по поводу последствий фармацевтическая продукция и средства личной гигиены в поверхностных водах.[4]

В Геологическая служба США (USGS) активно участвовала в разработке пассивных пробоотборников и уже в 2000 году имеет статьи в своей базе данных, касающиеся разработки POCIS. Колумбийский экологический исследовательский центр USGS (CERC) является самопровозглашенным международным лидером в области пассивных пробоотборников. отбор проб.[1] В последнее время Геологическая служба США предприняла попытки связать людей, интересующихся пассивным отбором проб. В 2013 году Геологическая служба США провела международный семинар и симпозиум по пассивному отбору проб, чтобы объединить разработчиков, политиков и конечных пользователей для обсуждения способов мониторинга загрязнения окружающей среды.[6]

Основы

Устройство POCIS было разработано и запатентовано Джимми Д. Петти, Джеймсом Н. Хакинсом и Дэвидом А. Альваресом из Колумбийского центра экологических исследований.[1] Интеграционные пассивные пробоотборники - эффективный способ мониторинга концентрации органических загрязнителей в водных системах с течением времени. Большинство программ водного мониторинга полагаются на сбор отдельных проб, часто называемых брать образцы, в определенное время.[7] Метод выборочного отбора проб связан со многими недостатками, которые можно устранить с помощью пассивных методов отбора проб. Если загрязняющие вещества присутствуют в следовых количествах, отбор проб может потребовать сбора больших объемов воды. Кроме того, лабораторный анализ пробы может предоставить только моментальный снимок уровней загрязнения во время сбора. Таким образом, у этого подхода есть недостатки при мониторинге в окружающей среде, где загрязнение воды меняется со временем и происходят эпизодические события загрязнения.[4] Пассивные методы отбора проб позволили получить интегрированную во времени пробу загрязнения воды с низкими пределами обнаружения и извлечение на месте аналиты.[8]

Настройка POCIS

POCIS Пробоотборник состоит из массива выборки дисков, установленных на опорную штанге. Каждый диск состоит из твердого сорбент зажатый между двумя полиэфирсульфонами (PES) микропористый мембраны, которые затем сжимаются между двумя кольцами из нержавеющей стали, открывающими зону отбора проб.[8] Стандартный диск POCIS имеет отношение площади поверхности для отбора проб к массе сорбента примерно 180 см.2грамм. Поскольку количество отобранного химического вещества напрямую связано с площадью поверхности образца, иногда необходимо объединить экстракты с нескольких дисков POCIS в один образец. Кольца из нержавеющей стали или другого жесткого инертного материала необходимы для предотвращения потери сорбента, поскольку мембраны из PES не могут быть герметизированы при нагревании.[5] Затем массив POCIS вставляется и разворачивается в защитном контейнере. Эта канистра обычно изготавливается из нержавеющей стали или ПВХ и работает для отражения обломков, которые могут сместить массив POCIS во время его развертывания.[3]

Мембрана PES действует как полупроницаемый барьер между сорбентом и окружающей водной средой. Он позволяет растворенным загрязнителям проходить через сорбент, избирательно исключая любые частицы размером более 100 нм.[5] Мембрана сопротивляется биообрастание потому что полиэфирсульфон, используемый в конструкции, менее подвержен влиянию, чем другие материалы.[3] POCIS универсален в том, что сорбенты можно менять для борьбы с различными классами загрязнителей. Однако только два класса сорбентов считаются стандартами для всех применений POCIS на сегодняшний день.[2]

Теория и моделирование

Каждый диск POCIS будет отбирать определенный объем воды в день. Объем отбираемой воды варьируется от химического до химического и зависит от физический и химический свойства соединения, а также продолжительность отбора проб. Частота отбора проб POCIS может варьироваться в зависимости от изменения потока воды, турбулентности, температуры и скопления твердых частиц на поверхности пробоотборника.[3] Накопление загрязняющих веществ в устройстве POCIS является результатом трех последовательных процессов, происходящих одновременно. Во-первых, загрязняющие вещества должны распространяться по воде. пограничный слой. Толщина этого слоя зависит от потока воды и турбулентности вокруг пробоотборника и может значительно изменить частоту отбора проб. Во-вторых, загрязнитель должен перемещаться через мембрану либо через поры, заполненные водой, либо через саму мембрану. Наконец, загрязняющие вещества переходят из мембраны в сорбирующий материал в основном через адсорбция. Эти последние два шага затрудняют моделирование, понимание и прогноз накопления с помощью устройства POCIS. На сегодняшний день определено ограниченное количество частот отбора химических проб.[8]

Накопление химикатов устройством POCIS обычно следует кинетике первого порядка. Кинетика характеризуется начальной интегративной фазой, за которой следует равновесное разбиение фаза. Во время интегративной фазы поглощения пассивное устройство для отбора проб накапливает остатки линейно относительно времени, предполагая постоянные концентрации воздействия. Согласно текущим результатам, пробоотборник POCIS остается в линейной фазе не менее 30 дней и наблюдался до 56 дней. Таким образом, как лабораторные, так и полевые данные оправдывают использование линейной модели поглощения для расчета частоты отбора проб.[5] Чтобы оценить концентрацию загрязняющих веществ в окружающей воде, отобранных устройством POCIS, необходимо наличие калибровка данные, применимые к условиям in situ относительно целевого соединения. В настоящее время эта информация ограничена.[3]

Применимость

POCIS может быть развернут в широком диапазоне водных сред, включая стоячие бассейны, реки, источники и т. Д. эстуарий системы и Сточные Воды потоки.[9] Тем не менее, было мало исследований по использованию POCIS в строго морской среде.[8] Перед развертыванием устройства POCIS важно выбрать место исследования, которое максимизирует эффективность пробоотборника. Выбор затененной области поможет предотвратить разложение светочувствительных химикатов. Площадка должна также позволять погружать пробоотборник в воду, не погружаясь в отложения.[9] Идеально поместить пробоотборник в движущуюся воду, чтобы увеличить частоту отбора проб, однако следует избегать участков с чрезвычайно турбулентным потоком воды, чтобы предотвратить повреждение устройства POCIS. Пассивные пробоотборники очень уязвимы для вандализма, поэтому важно закрепить пробоотборник в труднодоступных местах и ​​вдали от мест, часто используемых людьми.[9]

Пробоотборники POCIS можно использовать в течение периода времени от недель до месяцев. Минимальная продолжительность развертывания обычно составляет 7 дней, но в среднем 2–3 месяца.[8] Важно иметь достаточно длительный период развертывания, чтобы обеспечить адекватное обнаружение загрязняющих веществ в концентрациях в окружающей среде. Часто два разных типа устройств POCIS развертываются вместе, чтобы обеспечить максимальное понимание загрязнения.[8] Также важно развернуть достаточное количество устройств POCIS, чтобы гарантировать, что достаточно большой образец загрязнителя будет извлечен для химического анализа. Оценка количества пробоотборников, необходимых на данном участке, может быть определена с помощью следующего уравнения.[10]

рs х т х п х Сc x Pр x Eт > MQL x Vя
куда
  • Cc прогнозируемая концентрация загрязняющего вещества в окружающей среде
  • t - время развертывания в днях
  • рs частота отбора проб в литрах воды, извлекаемой пассивным пробоотборником в день (л / день)
  • пр - общее извлечение аналита методом (выраженное как коэффициент один; поэтому 0,9 используется для извлечения 90%),
  • n - количество пассивных пробоотборников, объединенных в одну пробу,
  • Eт - это доля от общего экстракта пробы, которая вводится в :: прибор для количественного определения
  • MQL - это предел количественной оценки метода
  • Vя - объем стандартной инъекции (обычно 1 мкл).

Соответствующие загрязнители

Любое соединение с log Kow меньше или равным 3 может концентрироваться в пробоотборнике POCIS.[5] Применимые классы загрязняющих веществ, измеряемые POCIS, включают фармацевтические препараты, бытовые и промышленные товары, гормоны, гербициды и полярные пестициды (Таблица 1). В настоящее время существует две конфигурации POCIS, предназначенные для различных классов загрязнителей. Общая конструкция POCIS содержит сорбент, который используется для сбора пестицидов, природных, а также синтетических гормонов и химических веществ, связанных со сточными водами. Конфигурация POCIS для фармацевтики содержит сорбент, специально предназначенный для целевых классов фармацевтических препаратов.[11]

Применимые загрязнители, которые концентрируются в устройстве POCIS. Не считаться полным списком.[5]
Химический классПримеры
Фармацевтические препаратыацетаминофен, азитромицин, карбамазепин, ибупрофен, пропранолол, сульфамидные препараты, тетрациклиновые антибиотики
Бытовые и промышленные товарыалкилфенолы, бензофенон, кофеин, ДЭТА, антипирены, индол, триклозан
Гормоны17β-эстрадиол, 17α-этинлестрадиол, эстрон, эстриол
Гербицидыатразин, цианазин, гидроксиатразин, третбутилазин
Полярные пестицидыалахлор, хлорпирифос, диаинон, дихлофос, диурон, изопротурон, метолахлор
ДругойУробилин

Обработка POCIS

Перед созданием POCIS все оборудование, а также сорбенты и мембраны должны быть тщательно очищены, чтобы устранить любые потенциальные помехи. Во время и после отбора проб единственная необходимая очистка - это удаление любого осадка, приставшего к поверхности пробоотборника. После сборки и перед развертыванием пробоотборники хранятся в замороженных герметичных контейнерах, чтобы избежать загрязнения. Пробоотборники следует хранить в герметичных контейнерах во время транспортировки как к месту отбора проб, так и от него, чтобы переносимые по воздуху загрязнители не загрязняли пробоотборник. Идеально, чтобы пробоотборники оставались холодными при транспортировке, чтобы сохранить целостность проб.[3]

После извлечения POCIS с поля мембрана осторожно очищается, чтобы снизить вероятность загрязнения сорбента.[5] Сорбент помещается в хроматография колонку, чтобы химические вещества из проб можно было извлечь с помощью органического растворителя. Используемый растворитель специально выбирается в зависимости от типа сорбента и отбираемых химикатов. Образец может пройти дальнейшую обработку, такую ​​как очистка или очистка. фракционирование в зависимости от желаемого использования образца.[3]

Анализ данных

После обработки образца экстракт можно проанализировать с помощью различных методов анализа данных.[8] Используемый химический анализ и аналитическое оборудование зависит от цели исследования. Для многих анализов требуется несколько образцов, хотя в некоторых случаях один образец POCIS может использоваться для нескольких анализов.[10]

Жизненно важно использовать контроль качества (QC) процедуры при использовании пассивных пробоотборников.[5] Обычно для целей контроля качества используется от 10% до 50% от общего количества образцов. Количество образцов QC зависит от целей исследования.[10] Образцы для контроля качества используются для решения таких проблем, как загрязнение образцов и извлечение аналитов.[5] Типы обычно используемых образцов QC включают: бланки реагентов, полевые бланки, матричные пики и процедурные пики.[5]

Было выполнено большое количество исследований, в которых данные POCIS были объединены с биоанализы для измерения биологических конечных точек. Тестирование экстрактов POCIS в биологических анализах полезно в качестве образцов устройства POCIS на протяжении всего периода его использования, и можно эффективно контролировать биологически активные соединения. Также можно утверждать, что использование POCIS более актуально из экотоксикологический перспектива, поскольку использование пассивного пробоотборника имитирует поглощение соединений организмами. Еще одна сильная сторона использования биологических анализов для тестирования проб окружающей среды заключается в том, что они могут обеспечить интегральную меру токсического потенциала группы химических соединений, а не одного загрязнителя.[8]

Другие пассивные пробоотборники

Существует много типов пассивных пробоотборников, которые специализируются на поглощении различных классов водных загрязнителей, обнаруживаемых в окружающей среде.[3] Chemcatcher и SMPD - это два типа пассивных пробоотборников, которые также широко используются.[4] Программы мониторинга используют SMPD для измерения гидрофобных органических загрязнителей. SPMD предназначены для имитации биоконцентрация загрязняющих веществ в жировых тканях (ITRC, 2006). Загрязняющие вещества, применимые к использованию SPMD, включают, но не ограничиваются, полихлорированные бифенилы (Печатные платы), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), хлорорганические соединения пестициды, диоксины, и фураны.[3]

СПМД состоит из тонкостенных, непористый, полиэтилен мембранная трубка, наполненная высоким молекулярным весом липид.[2] Эти трубки имеют длину примерно 90 см и охватывают внутреннюю часть контейнера из нержавеющей стали.[9] SMPD эффективно поглощают загрязняющие вещества с log Kow 4-8. Это немного совпадает с диапазоном загрязняющих веществ, поглощаемых POCIS. Из-за этого SMPD и устройства POCIS часто используются вместе в исследованиях по мониторингу для достижения более репрезентативного понимания загрязнения.[2]

Дальнейшее развитие

Система POCIS постоянно оценивается на предмет возможности отбора проб широкого диапазона загрязняющих веществ. Данные калибровки и методы извлечения аналитов в настоящее время создаются исследователями по всему миру. Методы объединения устройства POCIS с биопробами также находятся в стадии разработки.[3] Пробоотборник POCIS уже служит универсальным, экономичным и надежным инструментом для мониторинга исследований и отслеживания тенденций как в пространстве, так и во времени. Однако частота отбора проб еще недостаточно высока для обеспечения надежных концентраций загрязняющих веществ, особенно в отношении стандартов качества окружающей среды.[8] Для химических веществ определено ограниченное количество частот отбора проб, и определение дополнительных данных о частоте отбора проб необходимо для развития технологии пассивного отбора проб.[3]

Рекомендации

  1. ^ а б c «Пассивная выборка». Геологическое общество США (USGS) Колумбийский центр экологических исследований. Май 2004 г.. Получено 24 мая 2014.
  2. ^ а б c d Альварес, Д.А.; Petty JD; Huckins JN; Джонс-Лепп Т.Л .; Получение GT; Годдард JP; Манахан С.Е. (2004). «Разработка пассивного пробоотборника in situ для гидрофобных органических загрязнителей в водной среде». Экологическая токсикология и химия. 23 (7): 1640–1648. Дои:10.1897/03-603. PMID  15230316.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k Межгосударственный совет по технологиям и регулированию, команда авторов. "Обзор технологий пассивных пробоотборников". ITRC (Межгосударственный совет по технологиям и регулированию).
  4. ^ а б c d е ж Альварес, Д. (2013). «Разработка полупроницаемых мембранных устройств (SPMD) и полярных органических интегративных пробоотборников (POCIS) для мониторинга окружающей среды». Экологическая токсикология и химия. 23: 2179–2181. Дои:10.1002 / и т.д.2339. PMID  24006333.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я j k Альварес, Д. А .; Хакинс, Дж. N .; Петти, J.D .; Джонс-Лепп, Т .; Stuer-Lauridsen, F .; Получение, D.T .; Goddard, J.P .; Гравий А. (2007). Комплексная аналитическая химия: методы пассивного отбора проб в мониторинге окружающей среды. Нидерланды: Эльзевир. С. 171–197. ISBN  978-0-444-52225-2.
  6. ^ http://ipsw.eu/2013/ Международный семинар и симпозиум по пассивному отбору проб (IPSW)
  7. ^ Чимука Л., Цукровска Е. 2008. Мониторинг водной среды с использованием пассивных пробоотборников. Открытый журнал аналитической химии 2:1-9.
  8. ^ а б c d е ж грамм час я Харман С., Аллан И. Дж., Vermeirssen ELM. 2012. Калибровка и использование интегрального пробоотборника полярных органических химикатов - критический обзор. Экологическая токсикология и химия 14:2724-2738.
  9. ^ а б c d http://www.cerc.usgs.gov/pubs/center/pdfdocs/pocis.pdf. Геологическое общество США (USGS) Колумбийский центр экологических исследований. Комплексный пробоотборник полярных органических химических веществ (POCIS)
  10. ^ а б c Альварес Д.А. 2010. Руководство по использованию полупроницаемого мембранного устройства (SPMD) и комплексного пробоотборника полярных органических химических веществ (POCIS) в исследованиях по мониторингу окружающей среды.Раздел D, Книга качества воды 1, Сбор данных о воде прямым измерением.
  11. ^ https://www.nemi.gov/methods/method_summary/10622/ Национальный индекс экологических методов (NEMI). USGS: POCIS: Комплексный пробоотборник полярных органических химических веществ (POCIS).