POLAROGRAFICKÉ A VOLTAMETRICKÉ STANOVENÍ GENOTOXICKÉHO 4- NITROINDANU NA RTUŤOVÉ KAPAJÍCÍ A STŘÍBRNÉ PEVNÉ AMALGAMOVÉ ELEKTRODĚ

Transkript

1 POLAROGRAFICKÉ A VOLTAMETRICKÉ STANOVENÍ GENOTOXICKÉHO - NITROINDANU NA RTUŤOVÉ KAPAJÍCÍ A STŘÍBRNÉ PEVNÉ AMALGAMOVÉ ELEKTRODĚ Vendula Burdová, Vlastimil Vyskočil, Jiří Barek Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta, Katedra analytické chemie, UNESCO laboratoř elektrochemie životního prostředí, Hlavova 00/8, 8 Praha burdova.vendula@seznam.cz Úvod -Nitroindan (CAS Name: H-indene,,-dihydro--nitro-, CAS registry number: 70--9, viz obr. ) patří do skupiny nitrovaných polycyklických aromatických uhlovodíků (NPAH). Jeho prekurzorem je indan jedna ze složek benzínu. NPAH mohou vznikat přímo při spalovacích procesech, např. v benzínových či dieslových motorech, nebo v zemské atmosféře reakcí svých mateřských polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH) s OH či NO x radikály. Mono- a dinitro PAH vykazují několikanásobně větší mutagenitu či karcinogenitu než jejich matečné PAH, takže jejich sledování je v popředí moderní environmentální analytické chemie. Do popředí se tak dostávají finančně nenákladné citlivé elektroanalytické metody vhodné pro velkoplošné monitorování, při nichž se využívá snadné elektrochemické redukce nitroskupiny na aromatickém jádře NPAH,. Mimořádně významná je skutečnost, že představují nezávislou alternativu k převládajícím spektrometrickým a chromatografickým metodám,. Určitou nevýhodu moderních polarografických a voltametrických metod, kterou je poněkud menší selektivita, lze úspěšně kompenzovat jejich kombinací s předběžnou separací pomocí kapalinové extrakce či extrakce tuhou fází,. Přes obrovský pokrok ve vývoji nových typů elektrod a elektrodových materiálů zůstává faktem, že klasické rtuťové elektrody i 80 let po jejich zavedení do analytické chemie patří stále k nejspolehlivějším a nejcitlivějším senzorům. Klasická kapající rtuťová elektroda (DME) má proti jiným elektrodám výhodu naprosto čistého, atomárně hladkého povrchu a stále periodicky obnovovaného povrchu. Navíc je mimořádně jednoduchá konstrukce a spolehlivá. Dvě hlavní

2 nevýhody DME, tj. relativně velká spotřeba rtuti během vlastní analýzy a obtížné použití DME při analýzách v polních podmínkách, byly vyřešeny zavedením pevných elektrod na bázi dentálního amalgamu. Varianta, kdy leštěný povrch pevné amalgamové elektrody je modifikovaný rtuťovým meniskem (m-agsae; viz obr. ), se již dříve osvědčila při voltametrickém stanovení stopových množství různých ekotoxických a genotoxických látek. Navíc vzhledem k obavám z toxicity rtuti a jejích výparů 7 představuje m-agsae vhodnou náhradu za rtuťové elektrody stříbrný amalgam je netoxický a jeho elektrochemické vlastnosti se téměř neliší od rtuti. Cílem této práce bylo nalezení optimálních podmínek pro stanovení mikromolárních a submikromolárních koncentrací -nitroindanu pomocí DC tast polarografie (DCTP) a diferenční pulsní polarografie (DPP) na DME a pomocí DC voltametrie (DCV) a diferenční pulsní voltametrie (DPV) na m-agsae s co nejnižší mezí stanovitelnosti. Nově vypracované polarografické a voltametrické metody byly porovnány s UV-VIS spektrofotometrickým stanovením -nitroindanu. NO Obr. Strukturní vzorec -nitroindanu Experimentální část Reagencie Zásobní roztok -nitroindanu (99%, Sigma-Aldrich, Praha, ČR) o koncentraci 0 mol l byl připraven rozpuštěním 0,0 g látky ve 00 ml methanolu (p.a., Lachema, Brno, ČR). Roztoky o nižších koncentracích byly připravovány přesným ředěním zásobního roztoku methanolem. Zásobní roztok byl uchován ve tmě a chladu v lednici. Brittonovy-Robinsonovy (BR) pufry o potřebném ph byly připraveny smísením 0, mol l NaOH s roztokem obsahujícím kyselinu boritou, fosforečnou a octovou, každou o koncentraci 0,0 mol l (všechny tyto

3 chemikálie čistoty p.a., Lachema, Brno, ČR). Další chemikálie (kyselina chlorovodíková a chlorid draselný, vše čistota p.a.) byly zakoupeny od firmy Lachema, Brno, ČR. Použitá deionizovaná voda byla produkována systémem Milli-Q plus (Millipore, Billerica, USA). Aparatura Při polarografických a voltametrických měřeních byl použit počítačem řízený systém Eco-Tribo Polarograf se softwarem PolarPro. (vše Polaro-Sensors, Praha, ČR). Měření byla prováděna v tříelektrodovém zapojení. Pracovní elektrodou byla kapající rtuťová elektroda či stříbrná pevná amalgamová elektroda modifikovaná rtuťovým meniskem (EcoTrend Plus, Praha, ČR) o průměru amalgamového disku 0, mm. Jako referentní sloužila elektroda argentchloridová typu RAE ( mol l KCl) a jako pomocná byla použita platinová drátková elektroda typu PPE (obě Monokrystaly, Turnov, ČR). Při DCTP a DPP na DME byla používána polarizační rychlost mv s, elektronicky řízená doba kapky s a výška rezervoáru cm (doba kapky při zvolené výšce rezervoáru byla, s a průtoková rychlost rtuti byla, mg s ; měřeno při vloženém nulovém napětí v 0,mol l KCl). Při DC a DP voltametrii na m-agsae byla používána polarizační rychlost 0 mv s, pulsy o šířce 80 ms a modulační amplituda 0 mv byly použity v pulsní technice. Spektrofotometrická měření byla prováděna na přístroji Agilent 8 řízeném počítačem pomocí ovládacího programu UV-Visible ChemStation 9.0 (vše Agilent Technolgies, Santa Clara, USA) v křemenných kyvetách měrné tloušťky (l),0 cm (Hellma, Müllheim, Německo). Hodnoty ph byly měřeny digitálním ph-metrem Jenway 0 s kombinovanou skleněnou elektrodou typu 9 00 (vše Jenway, Chelmsford, Velká Británie). Pracovní postupy Při polarografických a voltametrických měřeních bylo do 0ml odměrné baňky odpipetováno potřebné množství roztoku -nitroindanu v methanolu, přidán methanol do celkového objemu ml a roztok byl doplněn po značku BR pufrem o příslušném ph (prostředí o hodnotách ph,0 a,0 byla realizována nahrazením BR pufru roztoky 0,0mol l HCl, resp. 0,mol l NaOH). Takto připravený roztok byl po promíchání převeden do polarografické nádobky, zbaven kyslíku pětiminutovým probubláváním dusíkem (čistota.0, Linde, Praha, ČR) a byl zaznamenán příslušný polarogram či voltamogram. Všechny křivky byly měřeny třikrát a

4 poté statisticky vyhodnoceny. Všechna měření probíhala za laboratorní teploty. K provádění potřebných výpočtů a tvorbě grafů bylo použito programů OriginPro 8.0 (OriginLab Corporation, Northampton, USA) a Microsoft Excel 00 (Microsoft Corporation, Redmond, USA). Konfidenční pásy byly sestrojeny na hladině významnosti 0,0 (cit. 8 ). Mez stanovitelnosti (L Q ) byla počítána jako desetinásobek směrodatné odchylky (pro počet měření n = 0) stanovení sledované látky o koncentraci odpovídající nejnižšímu bodu příslušné kalibrační přímky 9. V rámci měření byly s m-agsae prováděny tři operace, kterými byl obnovován její povrch 0 : ) Amalgamace byla prováděna jednou týdně, nebo když se vyskytly komplikace s reprodukovatelností či citlivostí měření. Ponořením dolní části elektrody do lahvičky s kapalnou rtutí a intenzivním mícháním lahvičkou po dobu asi s se obnovil na povrchu elektrody rtuťový meniskus. ) Elektrochemická aktivace byla prováděna vždy na začátku pracovního dne, po přestávce v měřeních, která byla delší než h a po amalgamaci. Prováděla se v roztoku 0,mol l KCl, který nebyl probublán dusíkem, při vloženém potenciálu 00 mv po dobu 00 s. V jejím průběhu dochází k odstranění oxidů a adsorbovaných látek z povrchu elektrody, čímž se zlepšuje citlivost a opakovatelnost následných měření. ) Regenerace byla prováděna v analyzovaném roztoku před každým měřením a spočívala ve skokovém střídání kladnějších E,reg a zápornějších E,reg potenciálů daných použitým základním elektrolytem a stanovovanou látkou, v intervalu 0,0 s po dobu s. (Optimální hodnotu E,reg a E,reg je pro každou látku nutno najít experimentálně). Výsledky a diskuse Vliv ph na elektrochemické chování -nitroindanu (c = 0 mol l ) při DCTP i DPP na DME byl sledován v prostředí BR pufr methanol (:).

5 Obr. Rtuťovým meniskem modifikovaná stříbrná pevná amalgamová elektroda m-agsea (A), detail menisku (B) a schéma elektrody (C). Pro sledování polarografického chování -nitroindanu v silně kyselém a zásaditém prostředí byly dále použity základní elektrolyty 0,0mol l HCl (ph,0) methanol (:) a 0,mol l NaOH (ph,0) methanol (:). -Nitroindan poskytuje v celé oblasti ph jednu dobře vyvinutou polarografickou vlnu a v kyselém prostředí (ph BR pufru, až,0) ještě druhou polarografickou vlnu s negativnějším půlvlnovým potenciálem. To je v souladu s polarografickým chováním pozorovaným u podobných mononitroderivátů PAH, jejichž elektrochemická redukce na DME probíhá v kyselém prostředí rovněž ve dvou krocích. Půlvlnový potenciál všech vln se s rostoucím ph posouvá k zápornějším hodnotám, v alkalických prostředích (BR pufr ph 0,0 až,0 methanol (:)) již půlvlnový potenciál první vlny na ph nezávisí. DP polarografické chování -nitroindanu je pak zcela v souladu s polarografickým chováním při DCTP na DME. Zaznamenané DP polarografické křivky ukazuje obr. -A. Jako optimální prostředí pro DCT i DP polarografické stanovení -nitroindanu bylo zvoleno prostředí BR pufr ph,0 methanol (:). DP polarogramy v nejnižším měřitelném koncentračním rozmezí (0, až,0 µmol l ) jsou pro ilustraci zobrazeny na obr. -B. Vypočtené parametry kalibračních přímek pro DCTP a DPP stanovení -nitroindanu na DME jsou uvedeny v tabulce I. Voltametrické chování -nitroindanu při DCV a DPV na m-agsae je podobné jeho chování při DPP na DME. Poloha píků opět závisí na ph (viz obr. -A). Prostředí BR pufr ph,0 methanol (:) bylo zvoleno jako optimální pro DCV stanovení a BR pufr ph 9,0

6 methanol (:) jako optimální pro DPV stanovení -nitroindanu na m-agsae.

7 00 na -8 I p, na - - I I, na ,0 0, 0, 0, 0,8,0 c, µmol l E, mv E, mv Obr. (A) DP polarogramy -nitroindanu (c = 0 mol l ) na DME v prostředí BR pufr methanol (:); ph BR pufru,0 (),,0 (),,0 (), 8,0 (), 0,0 () a,0 (); červená křivka značí vybrané optimální ph pro DPP stanovení -nitroindanu. (B) DP polarogramy -nitroindanu na DME v prostředí BR pufr ph,0 methanol (:); c(-nitroindan): 0 (), 0, (), 0, (), 0, (), 0,8 () a,0 () µmol l. Vložena odpovídající kalibrační přímka I p, na -0 - I 00 na 7-0 I, na c, µmol l E, mv E, mv Obr. (A) DP voltamogramy -nitroindanu (c = 0 mol l ) na m-agsae v prostředí BR pufr methanol (:); ph BR pufru,0 (),,0 (),,0 (), 8,0 (), 9,0 (), 0,0 () a,0 (7); červená křivka značí vybrané optimální ph pro DPV stanovení -nitroindanu. (B) DP voltamogramy -nitroindanu na m-agsae v prostředí BR pufr ph 9,0 methanol (:); E,reg = 00 mv, E,reg = 00 mv; c(-nitroindan): 0 (), (), (), (), 8 () a 0 () µmol l. Vložena odpovídající kalibrační přímka. 7

8 Tabulka I Parametry kalibračních přímek stanovení -nitroindanu Technika [optimální prostředí] DCTP na DME [BR pufr ph,0 methanol (:)] DPP na DME [BR pufr ph,0 methanol (:)] DCV na m-agsae [BR pufr ph,0 methanol (:)] DPV na m-agsae [BR pufr ph 9,0 methanol (:)] UV-VIS spektrofotometrie methanol Koncentrace [µmol l ] Směrnice a [ma mol l] Úsek a [na] Korelační koeficient L Q b [mol l ] 0 00, ± 0, ± 9 0,9988 0, ± 0,, ±, 0, , ± 0, ± 9 0,9988 0, ± 0,7,9 ±, 0,998 0,,0 ± 0, 0, ± 0, 0, ,7 ± 0, ± 0,999 0, ± 0, 0, ±, 0,999 0,,7 ± 0, 0,8 ± 0, 0, ,7 ± 0, ± 0,997 0, ± 0, 0, ± 0,8 0,999 0,, ± 0, 0,0 ± 0, 0, , ± 0, c ± 0 d 0,999 0,7 ±, c ± 9 d 0,9 0 7 a Intervalové hodnoty representují horní a dolní mez intervalu spolehlivosti, b mez stanovitelnosti (0σ; α = 0.0), c rozměr směrnice je mau mol l, d rozměr úseku je mau S použitím regeneračního kroku mezi jednotlivými měřeními v optimálním prostředí činila opakovatelnost vyjádřená relativní směrodatnou odchylkou (n = 0) vyhodnocené výšky voltametrického píku -nitroindanu (c = 0 mol l ),0 % pro DCV (E,reg = 00 mv and E,reg = 00 mv) i DPV (E,reg = 00 mv and E,reg = 00 mv) na m-agsae. Rozsah měřených koncentrací -nitroindanu byl pro obě voltametrické techniky 0, až 00 µmol l. DP voltamogramy v koncentračním řádu 0 mol L jsou pro ilustraci zobrazeny na obr. -B a parametry příslušných kalibračních přímek jsou uvedeny v tabulce I. Pro porovnání bylo vypracováno i UV-VIS spektrofotometrické stanovení -nitroindanu v methanolu při vlnové délce absorpčního maxima 7 nm (měrná tloušťka kyvety l =,0 cm) v koncentračním rozmezí až 00 µmol l, parametry získaných koncentračních závislostí jsou rovněž shrnuty v tabulce I. 8

9 Závěr Bylo prostudováno elektrochemické chování -nitroindanu a za nalezených optimálních podmínek bylo provedeno jeho stanovení pomocí DC tast polarografie (v koncentračním rozmezí 0 až 0 mol l ) a diferenční pulsní polarografie ( 0 7 až 0 mol l ) na klasické rtuťové kapající elektrodě a pomocí DC voltametrie a diferenční pulsní voltametrie (obě v koncentračním rozmezí 0 7 až 0 mol l ) na rtuťovým meniskem modifikované stříbrné pevné amalgamové elektrodě. Dosažené meze stavitelnosti se u všech stanovení pohybují v řádu 0 7 mol l a jsou srovnatelné nebo nižší než mez stanovitelnosti pomocí UV-VIS spektrofotometrie při vlnové délce 7 nm. Poděkování Tato práce byla finančně podpořena Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky (projekty LC 00, MSM a RP /). Literatura. Mormile M. R., Suflita J. M.: Anaerobe, 99 (99).. Zielinska B., Samy S.: Anal. Bioanal. Chem. 8, 88 (00).. Vyskočil V., Barek J.: Crit. Rev. Anal. Chem. 9, 7 (009).. Yosypchuk B., Barek J.: Crit. Rev. Anal. Chem. 9, 89 (009).. Barek J.: Chem. Listy 9, 08 (997).. Vyskočil V., Barek J., Jiránek I., Zima J., v knize: Progress on Drinking Water Research (Lefebvre M. H., Roux M. M., eds.), kap.. Nova Science Publishers, New York 008, str Boyd A. S., Seger D., Vannucci S., Langley M., Abraham J. L., King L. E.: J. Am. Acad. Dermatol., 8 (000). 8. Matthias O.: Chemometrics: Statistics and Computer Application in Analytical Chemistry, str. 9. Wiley-VCH, druhé vydání, Weinheim Harvey D.: Modern Analytical Chemistry, str. 9. McGraw-Hill, Toronto Yosypchuk B., Novotny L.: Electroanalysis, 7 (00).. Zuman P.: Collect. Czech. Chem. Commun. 8, (99). 9