CC BY
7
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
IV
УДК 613.63-073.537
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ 1,2,5,
6-ДИБЕНЗАНТРАЦЕНА
>
I ф'Ф • ' 1 ' ' | " • % •
П. А. Короткое, H. Н. Сержантова, Ю. П. Цященко, Н. Я. Янышева
Украинский научно-исследовательский институт коммунальной гигиены, Киев
Как известно, 1,2,5,6-дибензантрацен представляет собой одно из ароматических полициклических углеводородов, обладающих выраженным канцерогенным действием. Наряду с другими углеводородами он обнаруживается при сжигании естественного газа, твердых и жидких горючих (Tebbens, Thomas и Mitsugi Mukai).
Возможность спектрофотометрического определения 1,2,5,6-ди-бензантрацена описана М. В. Нифонтовой и Л. Н. Терновской (1962). Однако эти авторы все расчеты приводят в терминах оптической плотности. Это затрудняет их применение при анализе, ибо оптическая плотность не является однозначной характеристикой поглощения и при прочих равных условиях зависит от толщины поглощающего слоя. Абсолютным параметром поглощения, используемым обычно в спектроаб-сорбционном анализе, считается молярный коэффициент поглощения:
К
1
Cd
In
Jo
J
где С
- концентрация раствора в гмоль/л, с1 — толщина кюветы (в см), оптическая плотность раствора.
Измеренный на СФ-4 спектр молярного коэффициента поглощения
чистого 1,2,5,6-дибензантрацена, растворенного в гексане, показан на рис. 1 (кривая 1). Две его
наиболее интенсивные и характерные полосы поглощения с максимумами, соответствующими Яшах = 286 ММК и Хтах = 297 ммк, при замене растворителя смещаются в шкале длин волн. Однако относительное распределение интенсивности в спектре поглощения существенно не меняется. Молярные коэффициенты
тг ДВА V ДВА
поглощения Д 283 И А 297 в максимумах этих полос равны соответственно
1,0.105 л/гмоль-см и 1,7 • 105 л/гмоль • см. Приведенные значения пико-
№
Рис. 1. Спектральные кривые молярных коэффициентов поглощения чистых 1,2,5,6-дибензантрацена (кривая /, масштаб слева) и 3,4-бензпирена (кривая 2, масштаб справа), растворенных в гексане.
4*
51
гвых коэффициентов получены усреднением по нескольким измерениям для нескольких концентраций 1,2,5,6-дибензантрацена в гексане; их •ошибка в худшем случае не превышает 8—10%. Она вызвана главным образом погрешностями при измерениях больших и меньших, нежели оптимальные (1 —1,3), значений оптических плотностей, так как набор .по толщинам кювет не был достаточно широким.
Специальные исследования показали, что максимальные коэффи-
г,ДБА ^ДБА
'циенты поглощения л 286 и А > 97 практически не зависят от концентрации 1,2,5,6-дибензантрацена в гексане в широких пределах последней (от 0,1 до 5 мкг/мл). Этот факт позволяет легко рассчитывать концентрации чистого 1,2,5,6-дибензантрацена в гексане по формулам:
ДВА ДВА
- _ 286 гмоль „ 297 гмоль
С =--; - или С = --—- -, (1)
1,0-10* (I л 1,7-10 Ч л
где 0*286 и ^— взятые из опыта значения оптических плотностей в максимумах полос Хщах = 286 ммк и А,тах = 297 ммк, (1 — толщина кювета (в см).
При измерениях оптической плотности раствора, конечно, следует учитывать поглощение растворителя и потери на отражение на границах кювета — жидкость. Как показала проверка, применение формулы (1) для расчета концентраций дает ошибку не более 10%.
На рис. 1 (кривая 2) показана также спектральная кривая поглощения 3,4-бензпирена в гексане, полученная в настоящей работе. Знание коэффициентов поглощения 1,2,5,6-дибензантрацена и 3,4-бензпирена позволяет достаточно просто находить концентрацию 1,2,5, 6-дибензантрацена в смеси с 3,4-бензпиреном, растворенной в гексане, Такой случай имеет несомненный интерес, так как оба вещества сопутствуют один другому в продуктах неполного сгорания и пиролиза топлива. Как видно на рис. 1, в области полосы поглощения 3,4-бензпирена с Хшах = 384 ммк поглощение 1,2,5,6-дибензантрацена отсутству-
ИТТ
ет. Коэффициент поглощения в максимуме этой полосы К 334 = = 3,6 • 10Ал/гмоль • см (средняя ошибка 2%) и не зависит от концентрации.
Следовательно, можно легко подсчитать концентрацию 3,4-бензпирена в смеси и путем несложных вычислений получить формулу для расчета концентрации 1,2,5,6-дибензантрацена в смеси:
БП
о"__^.о2
297 БП 384 Б _ *
С
384 297 384 ВМОЛЬ
-. (2)
„ДВА 1,7-105.^ Л
297
Применение формулы (2) требует измерения лишь трех экспериментальных величин О 297 — оптической плотности смеси на длине
А, = 297 ммк, й ы 4 — оптической плотности смеси на длине волны д, = 384 ммк и д. — толщина кюветы (в см). Проверка формулы (2), предпринятая с помощью различных эталонных концентраций и толщин, дала хорошие результаты. Например, для эталонной концентрации 1,2,5,6-дибензантрацена в смеси, равной С = 1 мкг/мл, определение по формуле (2) дало для трех толщин кювет 0,5, 1 и 2 см значение концентраций 0,98, 0,95 и 1,07 мкг!мл соответственно. Точность определения концентрации 1,2,5,6-дибензантрацена в смеси с 3,4-бензпиреном в интервале концентраций 0,1—5 мкг/мл не менее 5—10%.
Специальные исследования показали, что спектр поглощения растворов 1,2,5,6-дибензантрацена в гексане изменяется со временем, что, по-видимому, вызвано фотохимическими или окислительными процес-
сами. Поэтому спектрофотометрический анализ нужно вести с только что полученными смесями.
Следует подчеркнуть, что спектрофотометрический метод анализа ароматических канцерогенных углеводородов при всей своей простоте вряд ли достаточно избирателен. Их ультрафиолетовые спектры поглощения часто очень схожи и состоят из широких полос, перекрывание которых в многокомпонентных смесях иногда делает интерпретацию практически невозможной. При обнаружении малых органических примесей, способных люминесцировать, наиболее селективным является сейчас эмиссионный анализ по линейчатым спектрам люминесценции при низких температурах (Э. В. Шпольский). Мы подробно исследовали люминесценцию 1,2,5,6-дибензантрацена в различных кристаллических матрицах при температуре жидкого кислорода. Из 7 испытанных растворителей — гептана, октана, нонана, гексана, бензола, хлороформа и этилового спирта — лишь один гексан может быть использован при количественном и качественном люминесцентном анализе. Дело в том, что только растворенный в гексане 1,2,5,6-дибенз.антрацен дает при температуре жидкого кислорода характеристический спектр люминесценции, состоящий из достаточно узких линий и полос. Во всех остальных растворителях наблюдаются широкие аморфные полосы, длину волн которых нельзя определить с точностью, необходимой для аналитических целей.
..-.О'':
МяШ
Рис. 2. Спектрограммы люминесценции 1,2,5,6-дибензантрацена в различных растворителях при температуре
жидкого кислорода.
а — в гептане; б — в бензоле; в — в этиловом спирте;
г — в гексане.
Ф
На рис. 2 представлена расшифрованная спектрограмма люминес ценции 1,2,5,6-дибензантрацена в гексане и для сравнения — спек трограммы люминесценции в бензоле, этиловом спирте и гептане. Рас-шифровка проведена при помощи нормалей линий железной дуги. Не-идентифицированные на спектрограмме линии принадлежат, по всей вероятности, примесям в гексане или ртути и примесям в ртутной лампе ПРК-4, которая вместе со светофильтром УФС-3 применялась для возбуждения люминесценции. Эти линии наблюдаются в рассеянном от кристаллического гексана свете при отсутствии в нем 1,2,5,6-дибенз-антрацена, а, как известно, чистый гексан не люминесцирует.
Свечение 1,2,5,6-дибензантрацена вообще не очень интенсивно. Например, представленные на рис. 2 спектрограммы получены на спек-
5а
трографе ИСП-28 при концентрации 1,2,5,6-дибензантрацена 10 мкг/мл; для этого понадобилась экспозиция, равная 1 часу. Спектрограф ИСП-28 был применен потому, что его линейная дисперсия в исследуемой области спектра велика, а это облегчает частотную расшифровку спектра люминесценции. Чтобы уменьшить время экспозиции, мы в дальнейших качественных исследованиях использовали более
светосильный спектрограф ИСП-51 с камерой 120 мм. Для него достаточно 10—15-минутной экспозиции, чтобы получить спектр люминесценции 1,2,5,6-дибензантрацена при концентрации в гексане 0,001 мкг/мл. Концентрации 10~3 — 10~4 мкг/мл следует признать оптимальным нижним пределом при качественном анализе. При меньших концентрациях люминесценцию 1,2,5,6-дибензантрацена трудно различить на фоне более интенсивных спектров люминесценции сопут-
39323965 4035 <447.54/65 — 4015 4100 Ш
г- 4195
3932 3965 4035 4/47.5 4021
Рис. 3. Фотоэлектрическая запись спектра люминесценции чистого 1,2,5,6-дибензантрацена в гексане .(кривая 1) и в смеси с 3,4-бензпиреном (кривая 2).
в частности
ствующих ароматических 3,4-бензпирена. Качественный ана-осуществить по группе линий 3932
люминесценции 1,2,5,6-дибензан-
0,3
0,2
0,1
МбА
'Э9зг
6П
углеводородов,
всего ^я/швшшшшяя^яяя^я^^яж 3965 А: они достаточно резки и расположены довольно обособленно, а
То обстоятельство, что полоса трацена Хшах = 3982 А и не перекрывается со спектром люминесценции 3,4-бензпирена, растворенного в гексане, определило ее выбор и для количественного анализа. При количественном определении 1,2,5, 6-дибензантрацена по спектру люминесценции мы использовали экспериментальную установку и фотоэлектрический способ регистрации интенсив-ностей свечения, подробно описанные П. А. Коротковым, Н. Н. Сержантовой и В. Б. Тимофеевым (1963), и метод «внутреннего» эталона. Кон-
щества сопоставляют не с
ф
абсолютной интенсивностью линии его люминесценции, а с относительной, т. е. измеренной по отношению к интенсивности линии люминесценции примеси постоянной концентрации, которую добавляют в исследуемый раствор и свечение которой считается эталонным. Таким образом, исключаются ошибки и трудности, связанные с измерениями абсолютной интенсивности люминесценции: изменением усиления регистрирующей системы, учетом фона рассеянного света и т. д. В качестве «внутренне-
;_-
/ г 3 4 5 6 7 В 9 10 11 12
С• 10~6, г/мл
Рис. 4. Градуировочная кривая для определения концентрации 1,2,5,6-дибензантрацена
люминесцентным методом.
го» эталона при количественном люминесцентном анализе 1,2,5,6-ди-^ензатрацена была использована полоса Ягаах = 4021 А люминесценции
3,4-бензпирена.
Фотоэлектрическая запись спектра люминесценции чистого 1,2,5, 6-дибензантрацена в гексане (концентрация 12 мкг/мл) и в смеси •с 3,4-бензпиреном (концентрация 1,2,5,6-дибензантрацена 12 мкг/мл, концентрация 3,4-бензпирена 0,05 мкг/мл) показана на рис. 3. Спектр люминесценции смеси 1, 2, 5, 6-дибензантрацена и 3, 4-бензпирена приведен не полностью; изображена лишь та часть его, где расположены аналитические линии люминесценции Xmax = 3932Â 1,2,5,6-дибензантрацена и Àmax = 4021 А 3, 4-бензпирена. Фотоэлектрическая запись спектра люминесценции 1,2,5,6-дибензантрацена осуществлена на спектрографе ИСП-51 с камерой 270 мм. Интенсивность люминесценции на рисунке измерена в произвольных единицах показаний регистрирующего миллиамперметра схемы фотоэлектрозаписываюгцего устройства.
Градуировочная кривая для расчета концентраций 1,2,5,6-ди-•бензантрацена по спектру люминесценции дана на рис. 4. На оси ин-
■ДБА
3932
тенсивностей отложены—отношения интенсивностеи в максиму-
s
мах аналитических линий 1,2,5,6-дибензантрацена Âmax = 3932Â и 3,4-бензпирена Àmax = 4021 А, на оси абсцисс — концентрации 1,2,5, 6-дибензантрацена. Концентрация 3, 4-бензпирена в смесях при построении градуировочной кривой была постоянной и всегда равной 0,05 мкг/мл. Как видно, интенсивность люминесценции 1,2,5,6-дибенз-.антрацена меняется линейно с изменением его концентрации, поэтому наклон градуировочной прямой останется прежним, если концентрация 3,4-бензпирена будет изменена. При практическом использовании градуировочной кривой концентрация 3,4-бензпирена может быть неизвестной.
Однако следует помнить, что 3,4-бензпирен люминесцирует значительно сильнее, чем 1,2,5,6-дибензантрацен, и для получения сравнимых интенсивностей аналитических линий, обеспечивающих наивысшую чувствительность метода, концентрация 3,4-бензпирена в смеси не должна превышать 0,1 мкг/мл. Максимальная ошибка построения градуировочной кривой составляет 5%, чувствительность метода внутри доступного интервала концентраций 1,2,5,6-дибензантрацена достигает 0,25 мкг/мл. Интервал надежно определяемых концентраций составляет 1 —12 мкг/мл. Если концентрации 1,2,5,6-дибензантрацена в гексане превышают 14 мкг/мл, то заметно сказывается концентрационное тушение люминесценции, при концентрациях, меньших чем 1 мгк/мл, полезный сигнал сравним с шумами нашего регистрирующего устройства.
Таким образом, предлагаемая методика обладает достаточной
чувствительностью и точностью и может быть применена при экспрессном анализе 1,2,5,6-дибензантрацена.
4 4
« «
ЛИТЕРАТУРА
Коротков П. А., Сержантов a H. Н., Тимофеев В. Б. Гиг. и сан., 1963, N° 5, стр. 47.—Нифонтова М. В., Тер но века я Л. Н. Там же, 1962, № 10, стр. 46.—-Ш польский Э. В. и др. Заводская лаборатория, 1962, № 4, стр. 428.— Tebbens В. D., Thomas J. F., Mitsugi Mukai, Arch, industr. Hlth., 1956, <v. 14, p. 413.
Поступила 20/XII 1963 r.
