Методические особенности хромато-масс-спектрометрической идентификации органических соединений в воздушной среде при ландшафтных пожарах

Введение. Природа и характер органических веществ, образующихся при ландшафтных пожарах, до настоящего времени остаются малоизученными. Метод газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС) уже давно используется в экологическом анализе для идентификации органических соединений в сложных многокомпонентных смесях. В зависимости от летучести и полярности компонентов органических соединений отбор воздуха производят на твёрдый сорбент, жидкий поглотитель, волокнистый фильтр.

Цель исследования — разработать комплексную процедуру идентификации органических соединений методом газовой хромато-масс-спектрометрии с отбором в разные поглотительные среды.

Материалы и методы. Исследования проводили с использованием химико-аналитического оборудования в лабораторных условиях, созданных специально в установке тления, затравочной камере. В качестве горючего субстрата использовали биомассу, состоящую из лесной подстилки: мха, лишайника, древесного опада, веток, кусков коры. Для ГХ-МС-идентификации применяли газовый хромато-масс-спектрометр Agilent 5975. Для отбора проб воздушной среды использовали аспиратор, газовую пипетку, поглотитель Рихтера с дистиллированной водой, волокнистый фильтр АФА-ХП-20. Пробоподготовку концентрированной пробы воздуха осуществляли с помощью микроволокна Carboxen/PDMS 85 мкм, термостата, флаконов для парофазного анализа, ультразвуковой ванны, дериватизирующего реагента — о-пентафторбензилгидроксиламина, гексана.

Результаты. Предложена комплексная процедура, включающая в себя отбор в разные поглотительные среды, различные варианты пробоподготовки. Извлечение органических соединений из поглотительных сред осуществляли методами твердофазной микроэкстракции, дериватизации, жидкостной экстракции. Из газовой пипетки извлекали летучие органические соединения методом твердофазной микроэкстракции на микроволокно Carboxen/PDMS 85 мкм. В дистиллированной воде за счёт дериватизации ο-пентафторбензилгидроксиламином были выявлены альдегиды и кетоны, на фильтре АФА-ХП-20 благодаря жидкостной экстракции в ультразвуке удалось обнаружить полулетучие соединения.

Ограничения исследования. Ограничения исследования связаны с необходимостью проведения отбора продуктов горения образца лесной подстилки в модельных условиях.

Заключение. Результаты идентификации показали, что в максимальном количестве присутствуют вещества следующих классов, выделяющиеся в воздушную среду при горении лесной подстилки: альдегиды, фенолы, терпены. Коэффициент совпадения масс-спектров составляет более 90%, что также подтверждается совпадением экспериментальных и библиотечных индексов удерживания.

Соблюдение этических стандартов. Исследование не требует представления заключения комитета по биомедицинской этике или иных документов.

Участие авторов:
Алексеенко А.Н. — концепция и дизайн исследования, сбор материала и обработка данных, математическая обработка, написание текста;
Журба О.М. — сбор материала и обработка данных;
Вокина В.А. — сбор материала и обработка данных;
Меринов А.В. — математическая обработка;
Шаяхметов С.Ф. — написание текста.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила: 30.05.2022 / Принята к печати: 04.08.2022 / Опубликована: 30.09.2022

1. Dimopoulou M., Giannikos I. Towards an integrated framework for forest fire control. Eur. J. Oper. Res. 2004; 152(2): 476-86. https://doi.org/10.1016/s0377-2217(03)00038-9

2. Larson T.V., Koenig J.Q. Wood smoke: Emissions and noncancer respiratory effects. Annu. Rev. Public Health 1994; 15(1): 133-56. https://doi.org/10.1146/annurev.pu.15.050194.001025

3. Nolte C.G., Schauer J.J., Cass G.R., Simoneit B.R.T. Highly polar organic compounds present in wood smoke in the ambient environment. Environ. Sci. Technol. 2001; 35(10): 1912-9. https://doi.org/10.1021/es001420r

4. Johnston F.H., Henderson S.B., Chen Y., Randerson J.T., Marlier M., DeFries R.S., et al. Estimated global mortality attributable to smoke from landscape fires. Environ. Health Perspect. 2012; 120: 695-701. https://doi.org/10.1289/ehp.1104422

5. Reid C.E., Brauer M., Johnston F.H., Jerrett M., Balmes J.R., Elliott C.T. Critical review of health impacts of wildfire smoke exposure. Environ. Health Perspect. 2016; 124(9): 1334-43. https://doi.org/10.1289/ehp.1409277

6. Другов Ю.С., Родин А.А., Зенкевич И.Г. Газохроматографическая идентификация загрязнений воздуха, воды, почвы и биосред. М.: Бином. Лаборатория знаний; 2018.

7. Другов Ю.С., Конопелько Л.А., Попов О.Г. Контроль загрязнений воздуха жилых помещений, офисов, административных и общественных зданий. СПб.: Наука; 2013.

8. Мильман Б.Л., Журкович И.К. Обобщенные критерии идентификации химических соединений методами хроматографии - масс-спектрометрии. Аналитика и контроль. 2020; 24(3): 164-73. https://doi.org/10.15826/analitika.2020.24.3.003

9. Зенкевич И.Г. Новые возможности совместной интерпретации масс-спектрометрических и хроматографических данных при идентификации органических соединений. Масс-спектрометрия. 2004; 1(1): 45-52.

10. Жохов А.К., Лоскутов А.Ю., Рыбальченко И.В. Методические подходы к вычислению и прогнозированию индексов удерживания в капиллярной газовой хроматографии. Журнал аналитической химии. 2018; 73(3): 163-80. https://doi.org/10.7868/S0044450218030015

11. Другов Ю.С., Родин А.А. Пробоподготовка в экологическом анализе. Практическоеруководство. М.: Бином. Лаборатория знаний; 2009.

12. Grote A.A., Kennedy E.R. Workplace monitoring for volatile organic compounds using thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry. J. Environ. Monit. 2002; 4(5): 679-84. https://doi.org/10.1039/b203000b

13. Carrick W.A., Cooper D.B., Muir B. Retrospective identification of chemical warfare agents by high-temperature automatic thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 2001; 925(1-2): 241-9. https://doi.org/10.1016/s0021-9673(01)01024-x

14. Pawliszyn J. SPME in environmental analysis. Anal. Bioanal. Chem. 2006; 386(4): 1059-73. https://doi.org/10.1007/s00216-006-0460-z

15. Chou C.C., Lee M.R. Determination of organotin compounds in water by headspace solid phase microextraction with gas chromatography-mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 2005; 1064(1): 1-8. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2004.08.166

16. Yang J., Duan Y., Zhao W., Yang L., Han J., Zhu D., et al. Analysis of volatile components in e-liquid by headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry. Tobacco Sci. Technol. 2015; 48(4): 42-8. https://doi.org/10.16135/j.issn1002-0861.20150409

17. Uhde E. Application of Solid Sorbents for the Sampling of Volatile Organic Compounds in Indoor Air. In: Salthammer T. Organic Indoor Air Pollutants: Occurrence, Measurement, Evaluation. Wienheim; 1999: 1-14.

18. Schmarr H.G., Potouridis T., Gans S., Sang W., Kopp B., Bokuz U., et al. Analysis of carbonyl compounds via headspace solid-phase microectraction with on-fiber derivatization and gas chromatographic-ion trap tandem mass spectrometric determination of their O-(2,3,4,5,6-pentafluorobenzyl)oxime derivatives. Anal. Chim. Acta. 2008; 617(1-2): 119-31. https://doi.org/10.1016/j.aca.2008.02.002