Metody oznaczania akrylamidu, epichlorohydryny i chlorku winylu Dr Frank Sacher DVGW-Technologiezentrum Wasser (TZW), Karlsruhe

Plan prezentacji Wstęp Oznaczanie akrylamidu Oznaczanie epichlorohydryny Oznaczanie chlorku winylu Podsumowanie

Wartość parametryczna Dyrektywa Rady 98/83/WE w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi ZAŁĄCZNIK I, Część B: Parametry chemiczne Parametr Wartość parametryczna Jednostka Uwagi Akrylamid 0.10 µg/l Uwaga 1 Epichlorohydryna Chlorek winylu 0.50 Uwaga 1: Wartość parametryczna odnosi się do stężenia pozostałości monomeru w wodzie obliczonego zgodnie ze specyfikacjami maksymalnego uwalniania z odpowiedniego polimeru w kontakcie z wodą

Ma być kontrolowane przez specyfikację produktu Dyrektywa Rady 98/83/WE w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi ZAŁĄCZNIK III, Część 2: Parametry, dla których określono charakterystykę wykonania analizy Parametr Zgodność Dokładność LOD Warunki Uwagi Akrylamid Ma być kontrolowane przez specyfikację produktu Epichlorohydryna Chlorek winylu Nie jest wymagane analityczne oznaczanie akrylamidu, epichlorohydryny ani chlorku winylu!!!

Doświadczenia z praktyki w Niemczech Niektórzy dostawcy wody wykorzystujący poliakrylamidy w procesie koagulacji obliczają maksymalne stężenie akrylamidu Niektórzy dostawcy wody badają dostarczaną wodę na obecność akrylamidu, epichlorohydryny i/lub chlorku winylu (bez względu na stosowany przez nich proces uzdatniania i materiały użyte w wodociągach) Większość dostawców wody nie robi nic…

Liczba prób wody do spożycia w TZW 2007 2008 Audyt / monitoring ~ 1200 ~ 1300 Akrylamid 53 65 Epichlorohydryna 156 196

Akrylamid Nr CAS: 79-06-1 Masa cząsteczkowa: 71.08 g/mol Dane fizyko-chemiczne: Temp. topnienia: 84.5 °C Temp. wrzenia: 125 °C (25 mm Hg) Ciśnienie pary: 0.007 mm Hg (20 °C) Rozp. w wodzie: 2160 g/L Źródło: Monomer do produkcji poliakrylamidów (PAA) PAA wykorzystywane są jako koagulant w uzdatnianiu wody do spożycia

Epichlorohydryna Nr CAS: 106-89-8 Masa cząsteczkowa: 92.5 g/mol Dane fizyko-chemiczne: Temp. topnienia: - 48 °C Temp. wrzenia: 116.5 °C Gęstość: 1.18 g/cm3 Rozp. w wodzie: 16 g/L Źródło: Monomer do produkcji rozmaitych plastików, w szczególności żywic epoksydowych, które stosowane są do powlekania zbiorników oraz rur w systemach wodociągowych,

Chlorek winylu Nr CAS: 75-01-4 Masa cząsteczkowa: 62.5 g/mol Dane fizyko-chemiczne: Temp. topnienia: - 159 °C Temp. wrzenia: 14 °C Ciśnienie pary: 3456 mbar (20 °C) Gęstość: 0.911 g/cm3 Rozp. w wodzie: 1.1 g/L Źródło: Monomer do produkcji PCV, z którego mogą być wykonane rury Produkt rozkładu PCE i TCE w warunkach beztlenowych

Problemy analizy małych cząstek polarnych Uzyskanie właściwego stężenia analitów jest trudne Ekstrakcja ciecz-ciecz wymaga dużej ilości rozpuszczalnika Konwencjonalne materiały do ekstrakcji do fazy stałej (SPE) nie nadają się do związków polarnych Chromatografia analitów jest trudna Polarność uniemożliwia oznaczenie przez chromatografię gazową Retencja w konwencjonalnych kolumnach do wysokosprawnościowej chromatografii cieczowej w odwróconym układzie faz (RP-HPLC) jest niewielka Wykrycie tych związków jest trudne Brak chromoforu umożliwiającego wykrycie metodą UV Brak fluoroforu umożliwiającego wykrycie metodą fluorescencyjną Brak znaczących mas lub fragmentów umożliwiających wykrycie metodą spektrometrii mas Metody stosowane do innych mikrozanieczyszczeń są nieodpowiednie Należy zastosować metody specjalne

Analityczne metody badania na obecność akrylamidu (1) Analiza HPLC/DAD po bezpośrednim wtrysku (M. Weideborg et al., Water Res. 2001, 35, 2645-2652) LOD ≈ 5 µg/L Metoda niespecyficzna Chromatografia jonowo-wykluczająca z wykrywaniem metodą MS (S. Cavalli et al., J. Chromatogr. A 2004, 1039, 155-159) LOD ≈ 0.2 µg/L Metoda specyficzna Analiza GC/MS-MS lub GC/ECD po derywatyzacji izotiocyjanianem penta-fluorofenylu (H. Perez et al., Analyst 2003, 128, 1033-1036) LOD ≈ 0.03 µg/L Metoda raczej specyficzna Metoda praco- i czasochłonna

Analityczne metody badania na obecność akrylamidu (2) Ekstrakcja do fazy stałej na materiale węglowym w połączeniu z chromatografią planarną z wykrywaniem fluorescencyjnym po derywatyzacji przy pomocy kwasu dwusulfonowego (A. Alpmann et al., J. Sep. Sci. 2008, 31, 71-77) LOD ≈ 0.03 µg/L Metoda raczej specyficzna Metoda praco- i czasochłonna Ekstrakcja do fazy stałej na materiale węglowym w połączeniu z GC/MS (K. Kawata et al., J. Chromatogr. A 2001, 911, 75-83) LOD ≈ 0.02 µg/L Odpowiedniość tej metody dla wód występujących w środowisku jest wątpliwa

Analityczne metody badania na obecność akrylamidu (3) Parowanie wody, LC-APCI-MS/MS (S. Chu et al., Anal. Chem. 2007, 79, 5093-5096) LOD ≈ 0.02 µg/L Metoda specyficzna Potrzebny jest drogi sprzęt Bezpośredni wtrysk dużych objętości, LC-MS-MS (J.M. Marin et al., J. Mass. Spectrom. 2006, 41, 1041-1048) LOD zależy od interfejsu LOD ≈ 10 µg/L dla ESI LOD ≈ 0.2 µg/L dla APCI

Badanie akrylamidu w TZW Ekstrakcja do fazy stałej na węglu aktywnym LC-ESI-MS/MS Objętość próby: 200 mL pH nie jest zmieniane Dodatek d3-akrylamidu wg. standardu wewnętrznego Materiał do ekstrakcji: 0,5 g węgla aktywnego Elucja: 10 mL metanolu Odparowanie rozpuszczalnika Rozpuszczenie suchego osadu w 100 mL metanolu Kolumna LC: Phenomenex Luna C18 (150 mm x 3 mm, 3 µm) Eluent: metoda gradientowa woda/metanol + 0,1 % kwasu mrówkowego Objętość wtryskiwanej cieczy: 50 µL

Sprz ęt używany w TZW do badania akrylamidu Automatyczny kondensator prób System automatycznego wykrywania Zymark LC-ESI-MS-MS: Agilent HP 1100 AB Sciex API 2000

Chromatogram 0.075 µg/L roztworu kalibracyjnego TIC Akrylamid Masa: 44 + 55 Akrylamid-d3 Masa: 58

Krzywa kalibracji dla akrylamidu

Parametry walidacyjne Akrylamid Odzysk w % 85 Czułość w jednostkach/ng 0.004 Relatywne odchylenie standardowe w % 1.0 Współczynnik korelacji (r²) 0.999 Granica wykrycia w ng/L 1.3 Granica kwantyfikacji w ng/L 4.7

Wykrywanie akrylamidu w wodzie do spożycia TIC Akrylamid Masa: 44 + 55 Akrylamid-d3 Masa: 58 0.44 µg/L

Analityczne metody badania na obecność epichlorohydryny (1) Analiza fazy nadpowierzchniowej z zastosowaniem GC/ECD (L. Lucentini et al., Microchemical J. 2005, 80, 89-98; J. Gaca et al., Analytica Chimica Acta 2005, 540, 55-60) LOD ≈ 40 µg/L Metoda niespecyficzna Ekstrakcja metodą purge-and-trap z zastosowaniem GC/ECD (L. Lucentini et al., Microchemical J. 2005, 80, 89-98; J. Gaca et al., Analytica Chimica Acta 2005, 540, 55-60) LOD ≈ 0.01 µg/L Mikroekstrakcja do fazy stałej (SPME) z zastosowaniem GC/FID (F.J. Santos et al., J. Chromatogr. A 1996, 742, 181-189) LOD ≈ 0.3 µg/L (w zależności od użytego włókna)

Zasada działania mikroekstrakcji do fazy stałej (Solid-Phase Micro-Extraction – SPME)

Urządzenie SPME

Analityczne metody badania na obecność epichlorohydryny (2) Aminoliza fazy wodnej (derywatyzacja przy pomocy 3,5-difluoro-benzylaminy), SPE, GC/MS (S.J. Khan et al., Anal. Chem. 2006, 78, 2608-2616) LOD ≈ 0.01 µg/L Metoda niespecyficzna, bardzo podatna na interferencje Derywatyzacja fazy wodnej przy pomocy siarczanów, chromatografia jonowa z wykrywaniem przewodności lub MS (M.C. Bruzzoniti et al., J. Chromatogr. A 2000, 884, 251–254; M.C. Bruzzoniti et al., J. Chromatogr. A 2004, 1034, 243–247) LOD ≈ 0.1 µg/L (CD) LOD ≈ 0.05 µg/L (MSD) CD nie jest metodą specyficzną; niezawodność procedury derywatyzacji jest wątpliwa

Analityczne metody badania na obecność epichlorohydryny (3) Ekstrakcja do fazy stałej na kopolimerze styrenu-diwinylobenzenu (H.-J. Neu et al., Fresenius J. Anal. Chem. 1997, 359, 285–287) LOD ≈ 0.1 µg/L Metoda niespecyficzna 1 = epichlorohydryna, 2 = etylowy ester kwasu 2-chloropropionowego (wewnętrzny standard)

Badanie epichlorohydryny w TZW Zgodnie z EN 14207 Ekstrakcja do fazy stałej na materiale SDB, GC/MS Objętość próby: 100 mL pH nie jest zmieniane materiał do SPE: 0.2 g materiału SDB (JT Baker) Elucja: 1 mL eteru dwuizopropylowego Dodanie etylowego estru kwasu 2-chloropropionowego wg. standardu wewnętrznego Kolumna GC: RTX 502.2 (30 m x 0.25 mm x 1.40 µm) Objętość wtryskiwanej cieczy: 2 µL (nastrzyk bez podziału) Detekcja MS w trybie SIM (m/z = 49, 57, 51, 62)

Urządzenia stosowane w TZW do badania epichlorohydryny Automatyczny kondensator prób System automatycznego wykrywania Zymark GC-MS Agilent GC 6890 MSD 5973N

Krzywa kalibracji dla epichlorohydryny

Parametry walidacyjne Epichlorohydryna Odzysk w % 41 Czułość w jednostkach/ng 0.134 Relatywne odchylenie standardowe w % 5.4 Współczynnik korelacji (r²) 0.996 Granica wykrycia w ng/L 35 Granica kwantyfikacji w ng/L 100

Chromatogram próby wody do spożycia

Stabilność epichlorohydryny w wodzie

Stabilność epichlorohydryny w eterze dwuizopropylowym

Analityczne metody badania na obecność chlorku winylu (1) Ekstrakcja do fazy nadpowierzchniowej z zastosowaniem GC/MS (T. Hino et al., J. Chromatogr. A 1998, 810, 141-147) LOD ≈ 0.04 µg/L Metoda wiarygodna Ekstrakcja purge-and-trap z zastosowaniem GC/MS (K.-J. Lee et al., Bull. Korean Chem. Soc. 2001, 22, 171-178; E. Martinez et al., J. Chromatogr. A, 2002, 959, 181-190) LOD ≈ 0.01 µg/L Metoda niespecyficzna

Analityczne metody badania na obecność chlorku winylu (2) Mikroekstrakcja do fazy stałej (SPME) z zastosowaniem GC/MS (A. Dias Guimaraes et al., Intern. J. Environ. Anal. Chem. 2008, 88, 151-164) LOD ≈ 0.25 µg/L (zależnie od zastosowanego włókna) Metoda wiarygodna SPME z fazy nadpowierzchniowej z zastosowaniem GC/FID (P. Tölgyessy et al., Petroleum & Coal 2004, 46, 88-94) LOD ≈ 0.01 µg/L Metoda podatna na interferencje SPME z fazy nadpowierzchniowej z zastosowaniem GC/MS (M.A. Jochmann et al., Anal. Bioanal. Chem. 2007, 387, 2163–2174) LOD ≈ 0.9 µg/L

Badanie chlorku winylu w TZW Purge-and-trap GC-MS (metoda podobna do EPA 524.2) System purge-and-trap: PTA-3000 z IMT Sorbent: Tenax Objętość próby: 10 mL pH nie jest zmieniane Dodawanie wg. standardu wewnętrznego: bromotrichlorometan Temperatura próby: 35 °C Temperatura pułapki: -65 °C Czas wymywania: 15 min. Kolumna GC: RTX 624 (30 m x 0.32 mm x 1.80 µm) Wykrywanie MS w trybie SIM (m/z = 62, 64)

Urządzenia stosowane w TZW do oznaczania chlorku winylu System Purge & trap PTA-3000 (IMT) TraceGC and DSQ (ThermoFinnigan)

Krzywa kalibracji dla chlorku winylu

Parametry walidacyjne Chlorek winylu Czułość w jednostkach/ng 9.74 Relatywne odchylenie standardowe w % 2.4 Współczynnik korelacji (r²) 0.999 Granica wykrycia w ng/L 12 Granica kwantyfikacji w ng/L 42

Chromatogram próby wody do spożycia

Stabilność chlorku winylu w wodzie

Podsumowanie Dyrektywa ws. Wody do Spożycia UE nie wymaga oznaczania metodami analitycznymi akrylamidu, epichlorohydryny, ani chlorku winylu, jednak mówi o metodzie obliczeniowej Ze względu na niską masę cząsteczkową i wysoką polarność tych związków wykrywanie ich śladowych ilości w wodzie do spożycia jest zadaniem trudnym Do oznaczania akrylamidu rekomendowana jest metoda SPE na materiale węglowym w połączeniu z wykrywaniem LC/MS-MS Do oznaczania epichlorohydryny rekomendowana jest metoda EN 14207 (SPE na materiale SDB w połączeniu z GC/MS) Do oznaczania chlorku winylu rekomendowana jest metoda wydmuchiwania i wychwytu (purge-and-trap) GC-MS