Определение диоксинов в объектах окружающей среды и в биологических объектах - одна из труднейших аналитических задач. В первую очередь это связано с тем, что токсикологические свойства диоксинов требуют, чтобы пределы их обнаружения в различных матрицах были существенно ниже тех, что характерны для многих задач органического анализа, в том числе определения пестицидов. Например, еще 20 лет назад доза диоксина I, летальная для морской свинки, была ниже предела обнаружения аппаратуры, применявшейся для ее определения [248,359]. Не менее важно и структурное разнообразие как самих определяемых веществ (табл.1), так и сопутствующих им соединений. Другими словами, речь идет о необходимости определения всей группы диоксинов (обычно это одновременно десятки веществ), отдельные изомеры и гомологи которых принципиально различаются по токсичности (табл.11 и 12).

Ориентирование на высокую токсичность 2,3,7,8-ТХДД (I) потребовало разработки и внедрения в аналитическую практику изомер-избирательных методов, обеспечивающих детектирование пикограммовых (10-12 г) и даже фемтограммовых (10-15 г) количеств, т.е. определение соединений с концентрацией в области ppt и ppq [270,716,878,879]. Данные о динамике снижения предела обнаружения I за последние 20-25 лет свидетельствуют о серьезном прогрессе, достигнутом в этой области. Так, предел обнаружения I в образцах окружающей среды составлял (в ppt):

в 1965 г. - 1000000,
в 1970 г. - 50000,
в 1975 г. - 10,
в 1980 г. - 0,2,
в 1983 г. - 0,01.

При анализе образцов гербицида 2,4,5-Т получены аналогичные результаты. Предел обнаружения I составлял (в ppt):
в 1965 г. - 1000000,
в 1985 г. - 1000.

Столь же значительный прогресс достигнут в избирательности аналитических методов: если в 1966 г. в образцах окружающей среды в одном хроматографическом сигнале определяли одновременно 20 изомеров ТХДД, в том числе наиболее токсичный I, то уже в 1979 г. наиболее токсичный изомер мог быть определен в виде отдельного аналитического сигнала [198].

VI.1. Основы анализа

В настоящее время лишь ограниченное число аналитических лабораторий развитых стран способны проводить анализы на диоксины рядов ПХДД и ПХДФ любой степени сложности, в частности осуществлять их количественное определение в образцах различных типов. В связи с этим даваемое ниже по необходимости краткое изложение состояния аналитической стороны проблемы опирается в основном на опыт нескольких групп, работающих особенно эффективно (начиная с [248,251,359]). Имеются в виду лаборатории Швеции и Швейцарии [191,201], США [192,193,198,210,880-884], Италии [44,206], Германии [199,200,885-887], Канады [188,878,888-890], Японии [534], Нидерландов [264,756], Франции [891], Норвегии [892] и других стран, чьими усилиями была создана целостная методология определения диоксинов в любых матрицах.

При всем разнообразии методов определения диоксинов ПХДД и ПХДФ они включают ряд обязательных этапов - отбор и подготовку пробы, выделение искомых веществ из любой пробы, их очистку и концентрирование и, наконец, собственно качественное и количественное определение.

Анализ образца может включать несколько подходов. Один из них - это определение в очищенном экстракте отдельных групп диоксиновых веществ ПХДД и ПХДФ, например, всех 17 соединений, содержащих фрагмент 2,3,7,8-Cl 4 , всех изомеров ТХДД или ТХДФ, всех изомеров ПнХДД, ГкХДД и т.д. Другой подход - это раздельное определение каждого компонента смеси, в первую очередь наиболее токсичных. Это достигается последовательным использованием методов хроматографии и количественной масс-спектрометрии, в том числе высокого разрешения. Иногда их прямо комбинируют, например, путем подсоединения колонки хроматографа непосредcтвенно к ионному источнику масс-спектрометра [359].

К настоящему времени благодаря широкому международному сотрудничеству создано много методик определения следовых количеств ПХДД и ПХДФ, в том числе и наиболее токсичных (для семейств V и VI их пока меньше [893]). Они предполагают применение высокоэффективной очистки диоксинов от многочисленных фоновых веществ и включают экстракционное извлечение, хроматографическое разделение и масс-спектрометрическое определение. Этот прогресс обеспечен как улучшением аналитических возможностей инструментальной техники, так и развитием и стандартизацией методов пробоотбора и пробоподготовки.

Аналитические методики обобщены в ряде обзоров [160,186-188,191-193,198-202,204-206,210], а также даны в многочисленных диссертациях [248,251,266,267,269,270] и статьях, в особенности в работах последнего десятилетия [195,203,534,878-995]. Они охватывают практически все важные матрицы - почву и донные отложения [44,206,290,575,881,888,890,898-908], газовые среды, включая воздух, дымовые и выхлопные газы и переносимые ими частицы пыли, пепла и тумана [44,716,882,892,909-924], воду [206,901,903,925-928,933], различные поверхности [911,929,930], промышленные изделия и отходы [519,534,881,882,905,917,926-928, 931,933], а также биологические образцы растительного [306,879,932] и животного [575,881,883, 902,905,933-960] происхождения. Выбор конкретных методик зависит от задач, стоящих перед исследователем - нужно ли идентифицировать источники выброса диоксинов или же необходимо оценить конкретную ситуацию.

Сформировалось два подхода к определению диоксинов [191]:

1. одновременное определение всех гомологов и изомеров в одной фракции путем обогащения по измеряемым компонентам (отделение от матрицы);

2. определение отдельных изомеров, в особенности наиболее токсичных 2,3,7,8-ТХДД и 2,3,7,8-ТХДФ. Оба подхода находят применение для общего ориентирования в экологической обстановке, хотя первый более пригоден для программ мониторинга. Если же поставленная цель - оценка диоксиновой опасности объектов и регионов, то аналитические приемы должны быть токсикологически ориентированными (т.е. нацеленными на определение 17 наиболее токсичных изомеров ПХДД и ПХДФ из 210) и экспрессными (тут могут оказаться эффективными биологические методы определения [214-216,835,878]).

Знание физико-химических, структурных и токсикологических особенностей диоксинов, в первую очередь ПХДД и ПХДФ, позволило сформулировать требования, которым должна удовлетворять любая методика их определения в объектах окружающей среды и в биологических образцах [270]. Она должна обеспечивать:

1). высокую чувствительность, что обусловлено исключительной токсичностью 2,3,7,8-ТХДД (I) и ряда других соединений;

2). высокую селективность, для чего необходимо отделение определяемых диоксинов от сопутствующих веществ, концентрация которых в матрице может быть выше на несколько порядков;

3). высокую избирательность, обеспечивающую дифференциацию искомых веществ в пределах узких смесей изомеров, в частности отдельное определение наиболее токсичного диокcина I в присутствии остальных 21 ТХДД;

4) высокую воспроизводимость результатов при количественном определении.

Первое, второе и четвертое требования вполне удовлетворительно обеспечиваются с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения. Дифференциация отдельных изомеров в смесях достигается с помощью газовой хроматографии высокого разрешения. Работа по анализу диоксинов сопряжена с большими трудностями - методическими и техническими. Даже в рамках уже устоявшейся системы, т.е., по существу, на потоке, эти анализы чрезвычайно дороги, трудоемки и продолжительны (как правило, они занимают много дней). Для получения надежных результатов необходимо, чтобы поддерживалась высокая чистота лабораторных помещений, по крайней мере на уровне, требуемом при проведении работ по генной инженерии.

В целом в зависимости от сочетания применяемых и зачастую довольно сложных процедур каждая из стадий анализа (приготовление образца, его введение в масс-спектрометр и, наконец, собственно масс-спектрометрическое определение) фактически может относиться к одному из трех классов - низкого, среднего и высокого разрешения. Соответственно, практически может существовать очень большое число самостоятельных методик, каждая из которых обеспечивает решение конкретной задачи [198].

Наиболее трудный этап работы - отбор и подготовка проб, вследствие чего подавляющее число диоксиновых анализов проводится в настоящее время в лабораторных условиях. С другой стороны, важными представляются аналитические работы в реальном масштабе времени. В связи с этим ведутся работы по созданию аналитической техники, приспособленной к измерениям непосредственно в полевых условиях. В Германии, например, создан передвижной масс-спектрометр, способный определять непосредственно в полевых условиях диоксин I (в субнанограммовых количествах), а также некоторые другие высокотоксичные вещества [976].

Сложность рассматриваемых анализов состоит в том, что для обеспечения их успешного проведения потребовалось создание специальной химической инфраструктуры. Необходимо, в частности, применение специальных высокочистых органических растворителей, неорганических кислот, адсорбентов и других химически чистых реактивов и материалов. Далее, для отбора проб воздуха необходимы полиуретановые или покрытые тефлоном стекловолокнистые фильтры в сочетании с пробками из полиуретана [892,920]. Наконец, проведение масштабных количественных измерений потребовало организовать производство стандартов, меченных изотопом 13C, 14C или 37Cl. В связи с этим к настоящему времени разработаны методы синтеза каждого из 210 диоксинов семейств ПХДД и ПХДФ [205,354-356,423,424,439,444,977].

Хотя многие из сложностей уже преодолены, нередки случаи, когда анализы одних и тех же объектов заканчиваются серьезными расхождениями. Для исключения ошибок в развитых странах регулярно проводят межлабораторные сравнительные определения диоксинов, позволяющие сопоставить и стандартизовать методики [919,929,931,942,959].

В тех же целях EPA предложен так называемый "метод 8290", позволяющий, по мысли его создателей, за счет стандартизации процедуры определения получать в разных лабораториях одни и те же результаты [203]. Метод предусматривает экстракцию ПХДД и ПХДФ из пробы в аппарате Сокслета в течение 18 ч, очистку экстракта на колонке с силикагелем (модифицированным щелочью и кислотой), оксидом алюминия и активированным углем и определение диоксинов методом хромато-масс-спектрометрии высокого разрешения.

Недавно [34] унифицированная процедура определения ПХДД и ПХДФ в матрицах различной природы была предложена ВОЗ для проведения арбитражных анализов во всем мире. В последние годы проводятся интенсивные исследования по автоматизации аналитических работ, связанных с определением диоксинов [69,71,72]. В частности, разрабатываются специальные экстракторы, позволяющие извлекать диоксины из почв, донных отложений, жировых тканей и других матриц практически полностью [890,906,971,972]. Сами анализы оптимизируются как в части очистки экстрактов и разделения диоксинов, так и в части их определения.

В частности, создаются компьютеризованные системы количественной оценки результатов хромато-масс-спектрометрического определения диоксинов.