ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΕΠΙΚ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Γ. Α. ΖΑΧΑΡΙΑΔΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ << ΠΡΟΧΩΡΗΜΕΝΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ>> ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΘΟΔΟΥ ΜΟΡΦΟΕΙΔΙΚΟΥ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΜΟΝΟΜΕΘΥΛΟ- ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΟΥ ΥΔΡΑΡΓΥΡΟΥ ΣΕ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΥΓΡΑ ΜΕ ΜΙΚΡΟΕΚΧΥΛΙΣΗ ΣΤΕΡΕΗΣ ΦΑΣΗΣ ΑΠΟ ΥΠΕΡΚΕΙΜΕΝΗ ΑΕΡΙΑ ΦΑΣΗ (HS-SPME) KAI ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΣΕ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΟ ΜΑΖΑΣ (GC-ΜS) ΚΑΨΗΜΑΛΗ ΔΗΜΗΤΡΑ ΧΗΜΙΚΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΕΠΙΚ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Γ. Α. ΖΑΧΑΡΙΑΔΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 28

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ << ΠΡΟΧΩΡΗΜΕΝΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ>> ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΘΟΔΟΥ ΜΟΡΦΟΕΙΔΙΚΟΥ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΜΟΝΟΜΕΘΥΛΟ- ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΟΥ ΥΔΡΑΡΓΥΡΟΥ ΣΕ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΥΓΡΑ ΜΕ ΜΙΚΡΟΕΚΧΥΛΙΣΗ ΣΤΕΡΕΗΣ ΦΑΣΗΣ ΑΠΟ ΥΠΕΡΚΕΙΜΕΝΗ ΑΕΡΙΑ ΦΑΣΗ (HS-SPME) KAI ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΣΕ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΟ ΜΑΖΑΣ (GC-MS) ΚΑΨΗΜΑΛΗ ΔΗΜΗΤΡΑ ΧΗΜΙΚΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΕΠΙΚ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Γ. Α. ΖΑΧΑΡΙΑΔΗΣ ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Ι. ΣΤΡΑΤΗΣ ΕΠΙΚ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Α. ΑΝΘΕΜΙΔΗΣ ΕΠΙΚ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Γ. ΖΑΧΑΡΙΑΔΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 28

3 Αφιερώνεται στην οικογένεια μου

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ I ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΟΝ ΥΔΡΑΡΓΥΡΟ Η τοξικότητα και η ιστορία του υδραργύρου Οι ενώσεις του υδραργύρου και οι χρήσεις τους Ο βιογεωχημικός κύκλος του υδραργύρου Ατμοί υδραργύρου Μεθυλυδράργυρος 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΣΕ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕ 12 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΟ ΜΑΖΑΣ (GC-MS) 2.1 Σύντομη ιστορική αναδρομή της αέριας χρωματογραφίας Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Φέρον αέριο Εισαγωγή δειγμάτων Εισαγωγή υγρών δειγμάτων Βαλβίδες εισαγωγής αέριου δείγματος Συσκευές συγκέντρωσης για την έγχυση δειγμάτων Οι στήλες GC Τριχοειδείς στήλες Στήλες πλήρωσης Μικροστήλες υλικού πλήρωσης Στατική φάση Συστήματα ανίχνευσης Ανιχνευτές ιοντισμού φλόγας (FID) Ανιχνευτής θερμικής αγωγιμότητας (TCD) Ανιχνευτής χημειοφωταύγειας θείου (SCD) Ανιχνευτές σύλληψης ηλεκτρονίου (ECD) Ανιχνευτές ατομικής εκπομπής (AED) Θερμιοντικοί ανιχνετές (TID) Άλλοι τύποι ανιχνευτών 28

5 2.8 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της αέριας χρωματογραφίας Πλεονεκτήματα της αέριας χρωματογραφίας Μειονεκτήματα της αέριας χρωματογραφίας Εισαγωγή στην αέρια χρωματογραφία σε σύζευξη με φασματόμετρο μάζας 3 (GC-MS) Ιστορική αναδρομή της συνδυασμένης τεχνικής GC-MS Εισαγωγή δειγμάτων Πηγές ιονισμού Τύποι αναλυτών μάζας Τετραπολικοί αναλυτές (quadrurole) Αναλυτές μαγνητικού τομέα (magnetic sector) Αναλυτές χρόνου πτήσης (time-of-flight) Αναλυτές με παγίδα ιόντος (ion trap) Πλεονεκτήματα του GC-MS Μειονεκτήματα του GC-MS Ταξινόμηση των αντιδράσεων Εφαρμογές αέριας χρωματογραφίας σε σύζευξη με φασματόμετρο μάζας Ανάλυση αέριας χρωματογραφίας Ανάλυση τροφίμων Έλεγχος ποιότητας φαρμάκων Αέρια χρωματογραφία πυρόλυσης Μέταλλο που σχηματίζει χηλική ένωση και τα ανόργανα υλικά Περιβαλλοντική ανάλυση 44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΜΙΚΡΟΕΚΧΥΛΙΣΗ ΣΤΕΡΕΗΣ ΦΑΣΗΣ (SPME) Αρχές της μικροεκχύλισης στερεής φάσης με εμβάπτιση (SPME) και από την 46 υπερκείμενη αέρια φάση (HS-SPME) 3.2 Τα στάδια της μικροεκχύλισης στερεής φάσης με εμβάπτιση (SPME) και από 48 την υπερκείμενη αέρια φάση (HS-SPME) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ 54

6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΟΡΓΑΝΑ- ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΑ- ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Όργανα Αντιδραστήρια Συνθήκες ασφάλειας Παρασκευή διαλυμάτων και διαδικασία της ανάλυσης σε δείγματα 67 βιολογικών υγρών (ούρα, σίελο, πλάσμα αίματος) 5.5 Παρασκευή υδατικών ρυθμιστικών διαλυμάτων και διαδικασία της 68 ανάλυσης τους ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΗΣ 7 ΜΙΚΡΟΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΣΤΕΡΕΗΣ ΦΑΣΗΣ ΑΠΟ ΥΠΕΡΚΕΙΜΕΝΗ ΑΕΡΙΑ ΦΑΣΗ (HS-SPME) 6.1 Εισαγωγή Βελτιστοποίηση του χρόνου εκχύλισης HS-SPME Βελτιστοποίηση της θερμοκρασίας εκχύλισης HS-SPME Προκαταρκτικός έλεγχος της εκχύλισης HS-SPME από ούρα επιβαρημένα 83 με διάφορες οργανοϋδραργυρικές ενώσεις παρουσία ρυθμιστικού διαλύματος οξικών ιόντων Προκαταρκτικός έλεγχος της εκχύλισης HS-SPME με προθέρμανση 85 στους 45 C σε δείγματα ούρων επιβαρημένα με οργανοϋδραργυρικές ενώσεις παρουσία ρυθμιστικού διαλύματος οξικών ιόντων 6.4 Βελτιστοποίηση του όγκου του τετρααιθυλοβοριούχου νατρίου (NaBEt 4 ) 86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο : ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΗΣ 92 ΑΕΡΙΑΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑΣ (GC) 7.1 Εισαγωγή Bελτιστοποίηση της παροχής ηλίου υπό σταθερή πίεση στη στήλη Προκαταρκτικός έλεγχος της επίδρασης της παροχής του ηλίου 6 ml/min 11 υπό σταθερή πίεση 7.4 Προκαταρκτικός έλεγχος της επίδρασης της παροχής του ηλίου 6 ml/min 13 υπό σταθερή παροχή 7.5 Bελτιστοποίηση του χρόνου διατήρησης της στήλης στους 5 C 16

7 7.6 Bελτιστοποίηση του ρυθμού αύξησης θερμοκρασίας 111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ο : ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΔΙΑΚΡΙΒΩΣΗΣ Βέλτιστες συνθήκες στην καμπύλη διακρίβωσης Καμπύλη διακρίβωσης σε ρυθμιστικό διάλυμα οξικών ιόντων με ολική 119 σάρωση των ιόντων (scan mode) 8.3 Καμπύλη διακρίβωσης σε ρυθμιστικό διάλυμα οξικών ιόντων με εκλεκτική 127 σάρωση των ιόντων (sim mode) 8.4 Καμπύλη διακρίβωσης σε δείγμα ούρων παρουσία ρυθμιστικού διαλύματος 134 οξικών ιόντων με ολική σάρωση των ιόντων (scan mode) 8.5 Καμπύλη διακρίβωσης σε δείγμα ούρων παρουσία ρυθμιστικού διαλύματος 142 οξικών ιόντων με εκλεκτική σάρωση των ιόντων (sim mode) 8.6 Καμπύλη διακρίβωσης σε δείγμα σιέλου παρουσία ρυθμιστικού διαλύματος με εκλεκτική σάρωση των ιόντων (sim mode) Καμπύλη διακρίβωσης σε δείγμα πλάσματος αίματος παρουσία ρυθμιστικού διαλύματος οξικών ιόντων με εκλεκτική σάρωση των ιόντων (sim mode) Καμπύλη διακρίβωσης σε δείγμα πλάσματος αίματος παρουσία ρυθμιστικού διαλύματος οξικών ιόντων με εκλεκτική σάρωση των ιόντων (sim mode) 152 με προσθήκη 5μL και 15 μl αιθυλιωτικού αντίστοιχα. 8.9 Συγκριτικά αποτελέσματα και διαγράμματα των καμπύλων διακρίβωσης σε 154 ποικίλα υποστρώματα παρουσία ρυθμιστικού διαλύματος οξικών ιόντων μετά από αιθυλίωση με NaBEt 4 και HS-SPME ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ο : ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ Εφαρμογές σε άλλα υγρά δείγματα 161 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 162 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 164 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 167 ABSTRACT 168

8 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας του Τμήματος Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσ/νίκης στα πλαίσια του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών <<Προχωρημένη Χημική Ανάλυση>>. Ο σκοπός του θέματος της διπλωματικής εργασίας που μου δόθηκε από τον επιβλέποντα επίκουρο καθηγητή κ. Γ. Α. Ζαχαριάδη εντάσσεται στo πλαίσιo της ανάπτυξης μεθόδων μορφοειδικού προσδιορισμού (speciation) τοξικών μετάλλων με σύγχρονες συνδυασμένες τεχνικές. Συγκεκριμένα αναπτύχθηκε και βελτιστοποιήθηκε μία μέθοδος προσδιορισμού του μονομεθυλυδραργύρου και του ανόργανου υδραργύρου, σε βιολογικά υγρά με μικροεκχύλιση στερεής φάσης υπερκείμενης αέριας φάσης (HS-SPME) και την τεχνική της αέριας χρωματογραφίας (GC) σε σύζευξη με τη φασματομετρία μάζας (ΜS). Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον επιβλέποντα της μεταπτυχιακής εργασίας μου, επίκουρο καθηγητή κ. Γ. Ζαχαριάδη, για την πολύτιμη βοήθεια του κατά την διάρκεια της εργασίας μου. Οι γνώσεις του και η συνεχής καθοδήγησή του έλυναν τα προβλήματα που δημιουργούνταν κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Στράτη και τον επίκουρο καθηγητή κ. Ανθεμίδη, μέλη της εξεταστικής επιτροπής, για τις εποικοδομητικές υποδείξεις τους και την βοήθεια τους. Τέλος ευχαριστώ ιδιαίτερα την μητέρα μου Ζωή και τον αδερφό μου Γεώργιο για την αμέριστη υποστήριξη τους και την ολόψυχη αγάπη τους. Η παρουσία τους και η στήριξη τους ήταν ανεκτίμητη στη διάρκεια αυτής της προσπάθειας μου. I

9 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΟΝ ΥΔΡΑΡΓΥΡΟ 1.1 Η τοξικότητα και η ιστορία του υδραργύρου O υδράργυρος επιφέρει επιπτώσεις στην υγεία των ανθρώπων συνήθως με τις δύο κύριες μορφές του στις οποίες οι άνθρωποι εκτίθενται, δηλαδή ενώσεις ατμών υδραργύρου και μεθυλυδραργύρου. Οι ατμοί υδραργύρου είναι ένα μονοατομικό αέριο που ατμοποιείται από τον υγρό μεταλλικό υδράργυρο. Οι σοβαρές μορφές δηλητηρίασης από την εισπνοή του ατμού υδραργύρου είναι σήμερα σπάνιες. Συχνότερα παρατηρείται έκθεση στον υδράργυρο σε ανθρώπους που ασχολούνται με επαγγέλματα που σχετίζονται με αυτές τις ενώσεις. Επιδρούν στη συμπεριφορά των νεύρων και προκαλούν αλλαγές στους βιοχημικούς δείκτες της λειτουργίας των νεφρών. Ο μεθυλυδράργυρος επίσης βλάπτει επιλεκτικά τον εγκέφαλο. Στους ενήλικους ανθρώπους, η ζημία που προκαλεί είναι εστιασμένη, έχοντας επιπτώσεις στους συγκεκριμένους τύπους κυττάρων σε ορισμένες ανατομικές περιοχές όπως ο οπτικός φλοιός και η παρεγκεφαλίδα. Η προγεννητική περίοδος θεωρείται ευρέως το πιο ευαίσθητο στάδιο του κύκλου ζωής. Υπάρχουν, δύο μεγάλες επιδημιολογικές μελέτες που εξετάζουν τους κινδύνους εν εξελίξει, για να προστατεύσουν την ανθρώπινη υγεία από τον μεθυλυδράργυρο ο οποίος συνήθως βρίσκεται στα ψάρια [1,2,3]. Οι ενώσεις μεθυλυδραργύρου μπορούν να χρονολογηθούν από τα αρχαία χρόνια. Ο υδράργυρος, το μόνο μέταλλο που είναι στην υγρή κατάσταση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, ονομάστηκε κατάλληλα quicksilver από τον Αριστοτέλη. Η πρώτη καταγραμμένη χρήση είναι στην κατασκευή του κόκκινου μελανιού, από το μετάλλευμα κιννάβαρι (θειούχου υδραργύρου) που χρησιμοποιήθηκε για να μεταδώσει το κόκκινο χρώμα. H κύρια πηγή ανθρώπινης έκθεσης είναι από τη μεθυλίωση του ανόργανου υδραργύρου στους υδρόβιους οργανισμούς, που οδηγούν σε βιοσυσσώρευση στην υδρόβια τροφική αλυσίδα και καταλήγουν στους ανθρώπους από την κατανάλωση ψαριών ή θηλαστικών της θάλασσας. 1

10 1.2 Οι ενώσεις του υδραργύρου και οι χρήσεις τους Ο υγρός υδράργυρος απελευθερώνει μονοατομικό ατμό με ιδιότητες όχι διαφορετικές από τα ευγενή αέρια. Μόλις εισχωρεί ο ατμός την ατμόσφαιρα, θα παραμείνει εκεί για μήνες ή έτη και εισάγεται σε έναν κύκλο. Κατά τη πρώτη περίοδο του πλανήτη, όταν η περιβαλλοντική θερμοκρασία ήταν πολύ υψηλότερη, πιθανώς τα επίπεδα ατμού υδραργύρου ήταν επίσης πιο υψηλά. Όταν ο ατμός υδραργύρου (Hg ) οξειδώνεται στη δισθενή μορφή (Hg 2+ ) γίνεται τοξικός. Διάφορα ένζυμα όπως η ρεδοϋκτάση του γλουταθείου, η καταλάση, η δισμουτάση οξυγόνου και τα αντιοξειδωτικά μόρια όπως το γλουταθείο και η μεταλλοθειονίνη διαδραματίζουν έναν βασικό ρόλο στο μεταβολισμό του εισπνεόμενου ατμού υδραργύρου. Τα μεθανογεννητικά βακτηρίδια είχαν αναπτύξει έναν άλλο τρόπο, χρησιμοποιώντας ένα ενδογενές υπόστρωμα, τη μεθυλοκοβολαμίνη είναι σε θέση να προσθέσουν δύο μεθυλικές ομάδες στον ιδιαίτερα τοξικό Hg 2+, και να μετατρέψουν τον ανόργανο υδράργυρο στον ιδιαίτερα πτητικό διμεθυλυδράργυρο [1]. Επίσης ενδιάμεσα μονομεθυλυδραργυρικά προϊόντα παράγονται από τα κύτταρα. Αργότερα, ο μεθυλυδράργυρος βιοσυσσωρεύεται στα ψάρια, και εισχωρεί με αυτό τον τρόπο στην ανθρώπινη διατροφή. Ο υγρός μεταλλικός υδράργυρος χρησιμοποιήθηκε για να εκχυλίσει τον χρυσό από τα μεταλλεύματά του. Το προκύπτον ημισταθερό αμάλγαμα υδραργύρου-χρυσού θερμαίνεται και οδηγεί στην εξάτμιση του υδραργύρου και αφήνει ένα υπόλειμμα καθαρού χρυσού. Αυτή η αρχαία τεχνική χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα στην κοιλάδα του Αμαζονίου. Οι τοξικές ιδιότητες του υδραργύρου έχουν χρησιμοποιηθεί για τουλάχιστον δύο χιλιετίες για θεραπείες. Ο εισπνεόμενος ατμός ή οι κρέμες υδραργύρου που περιέχει τις δισθενείς ενώσεις υδραργύρου ήταν η δημοφιλέστερη θεραπεία της σύφιλης μέχρι τις αρχές του εικοστού αιώνα. Αυτές οι ίδιες τοξικές ιδιότητες οδήγησαν στη διαδεδομένη χρήση του καλομέλανα (χλωριούχου υδραργύρου είναι ένα παράδειγμα του υδραργύρου στο σχετικά σπάνιο μονοσθενή βαθμό οξείδωσής του) ως καθαρτικό και για να θεραπεύσουν τις παρασιτικές μολύνσεις. Οι ενώσεις του δισθενή υδραργύρου όπως το χλωρίδιο του δισθενούς υδραργύρου έχουν χρησιμοποιηθεί και στα απολυμαντικά. Στην πραγματικότητα, η διαδεδομένη χρήση και των δισθενών και των μονοσθενών χλωριδίων του υδραργύρου προκάλεσε μια ασθένεια παιδικής 2

11 ηλικίας, γνωστή ως ακροδυνία που ενέμεινε μέχρι τη δεκαετία του 195, όταν καθορίστηκε να είναι ο υδράργυρος η αιτία. Η δυνατότητα του υδραργύρου να δημιουργεί αμαλγάματα με άλλα μέταλλα είναι η βάση για τα μαύρα σφραγίσματα των δοντιών. Η εισαγωγή του στην οδοντιατρική πάνω από 15 έτη πριν, η ασημένια πλήρωση που χρησιμοποιείται είναι ένα αμάλγαμα του υδραργύρου με τον άργυρο, το χαλκό, και άλλα μέταλλα, με τη αναλογία του υδραργύρου περίπου 5% του αμαλγάματος κατά βάρος. Το ασημένιο αμάλγαμα έγινε σύντομα ο δημοφιλέστερος τύπος πλήρωσης δοντιών. Κυριολεκτικά δισεκατομμύρια ανθρώπων έχουν σήμερα τέτοιες θήκες. Κατά διαστήματα, υπήρξε ανησυχία για τη δυνατότητα της δηλητηρίασης των ανθρώπων από τον υδράργυρο διαμέσου των αμαλγαμάτων που ενδεχομένως είχαν στα δόντια τους. Μερικές χώρες αρχίζουν να περιορίζουν τη χρήση τους βάσει των πιθανών κινδύνων υγείας. Σαν ρευστό έχει υψηλή πυκνότητα και ομοιόμορφες ιδιότητες και χρησιμοποιείται από καιρό στα θερμόμετρα και τα βαρόμετρα. Έχει χρησιμοποιηθεί ακόμη και για να επιπλεύσει τους βαρείς λαμπτήρες στους φάρους. Μία από τις σημαντικές χρήσεις του ήταν στην παρασκευή του χλωρίου και του καυστικού νατρίου από την άλμη, όπου ο μεταλλικός υδράργυρος χρησιμοποιείται ως ηλεκτρόδιο [1]. Οι χημικές ενώσεις του υδραργύρου έχουν βρει επίσης ευρεία εφαρμογή στη βιομηχανία, τη γεωργία, και στον στρατιωτικό τομέα [2]. Το 17 το φουλμινικό παράγωγο του υδραργύρου εισήχθη ως πυροκροτητής, με συνέπεια να δημιουργηθεί ένα μεγάλο κύμα για την εξαγωγή του υδραργύρου από τα μεταλλεία. Η χρήση του θειικού υδραργύρου ως καταλύτη στην παρασκευή της ακεταλδεΰδης οδήγησε σε καταστροφή σε περιοχή της Ιαπωνίας στη δεκαετία του 195 και τη δεκαετία του 196 όταν οι ενώσεις μεθυλυδραργύρου, που παρήχθησαν απρόβλεπτα ως υποπροϊόντα, μεταφέρθηκαν στους οργανισμούς του ύδατος και συσσωρεύθηκαν στα ψάρια. Σήμερα ο υδράργυρος συνεχίζει να χρησιμοποιείται στην ηλεκτρική βιομηχανία στην παραγωγή των μπαταριών και των λυχνιών φθορισμού. Οι γεωργικές χρήσεις έχουν μειωθεί από τη δεκαετία του 197. Πριν από εκείνο τον χρόνο, οι ενώσεις υδραργύρου χρησιμοποιήθηκαν ως μυκητοκτόνα στο σπόρο του σιταριού προκειμένου να προληφθούν οι μολύνσεις των σπόρων όταν με αυτόν τον τρόπο αύξαναν τη συγκομιδή. Στη δεκαετία του 196, σουηδοί επιστήμονες παρατήρησαν ότι οι πληθυσμοί των αρπακτικών πουλιών δηλητηριάζονταν. Τα μικρά θηλαστικά κατανάλωσαν το σπόρο σιταριού και στη συνέχεια τα ίδια καταναλώθηκαν από τα γεράκια όπου τελικά παρατηρήθηκε σοβαρή δηλητηρίαση 3

12 αυτών των πουλιών. Σχεδόν στον ίδιο χρόνο, αρκετές επιπτώσεις στην υγεία των ανθρώπων εμφανίστηκαν στις αναπτυσσόμενες χώρες επειδή οι αγρότες, χρησιμοποίησαν άμεσα το σπόρο του σιταριού για να κάνουν το σπιτικό ψωμί. Η μεγαλύτερη δηλητηρίαση πραγματοποιήθηκε στο αγροτικό Ιράκ το χειμώνα του Εκατοντάδες ανθρώπων πέθαναν και χιλιάδες δηλητηριάστηκαν σοβαρά. 1.3 Ο βιογεωχημικός κύκλος του υδραργύρου Οι ανθρώπινες χρήσεις του υδραργύρου έχουν συνδεθεί γενικά με την τοπική μόλυνση. Βεβαίως, αυτό ισχύει για τις βιομηχανικές εκθέσεις καθώς επίσης και τις μεγάλες καταστροφές στην υγεία που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Σήμερα, εντούτοις, υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον και ανησυχία για την ευρύτερη περιβαλλοντική μόλυνση. Οι τεράστιες πρόοδοι στις αναλυτικές μεθόδους για τον ποσοτικό προσδιορισμό του υδραργύρου με τις εξαιρετικά καθαρές μεθόδους δειγματοληψίας και αποθήκευσης έχουν οδηγήσει σε μια ακριβέστερη περιγραφή της βιογεωχημικής ανακύκλωσης του υδραργύρου. Το τρέχον μοντέλο κύκλου προβλέπει την απελευθέρωση του ατμού υδραργύρου στην ατμόσφαιρα και από τις φυσικές και ανθρωπογενείς πηγές (σχ. 1.1). Ατμός υδραργύρου είναι ένα σταθερό μονοατομικό αέριο με ιδιότητες κάπως παρόμοιες με τα ευγενή αέρια. Κατά συνέπεια, ο χρόνος παραμονής του στην ατμόσφαιρα είναι ενός έτους ή περισσότερο. Αυτό επιτρέπει τη διάχυση μέσω της ατμόσφαιρας. Εντούτοις, παρά το γεγονός ότι η ατμόσφαιρα είναι ο κύριος αγωγός για τη μεταφορά υδραργύρου, οι πραγματικές συγκεντρώσεις στην ατμόσφαιρα είναι τόσο χαμηλές ώστε είναι αμελητέα συμβολή στη γενική ανθρώπινη έκθεση [1]. Τελικά, ο υδράργυρος αφαιρείται από την ατμόσφαιρα με μια διαδικασία οξείδωσης, που μετατρέπεται στην πιο υδατοδιαλυτή ιοντική μορφή η οποία βρίσκεται στο νερό της βροχής (σχ. 1.2, 1.3). Μέρος από τον οξειδωμένο υδράργυρο αποτίθεται σε ποταμούς ή ωκεανούς ή θάλασσες, όπου εκεί απορρίπτονται και τα απόβλητα από τις ανθρωπογενείς πηγές, και μπορεί να αναχθεί σε ατμό. Εντούτοις, το σημαντικότερο από την άποψη των ανθρώπινων εκθέσεων είναι ότι μέρος του οξειδωμένου υδραργύρου μετατρέπεται σε μεθυλυδράργυρο διαμέσου κάποιων βακτηρίων, μεταβολίζεται στη υδρόβια τροφική αλυσίδα και με αυτόν τον τρόπο εισάγεται την ανθρώπινη διατροφή. Αυτός ο κύκλος χρησιμοποιείται για να εξηγήσει την εκπληκτικά υψηλή συγκέντρωση του υδραργύρου που βρίσκεται στα ψάρια σε 4

13 ύδατα. Είναι δυνατό τα επίπεδα υδραργύρου στην ατμόσφαιρα στο βόρειο ημισφαίριο να έχουν αυξηθεί κατά τη διάρκεια της βιομηχανικής εποχής, αλλά το μέγεθος αυτής της αύξησης δεν έχει ακόμα οριστεί. Από την άποψη των ανθρώπινων εκθέσεων και των πιθανών κινδύνων στην υγεία, δύο μορφές υδραργύρου είναι ειδικού ενδιαφέροντος: Ατμοί υδραργύρου και ενώσεις μεθυλυδραργύρου (λόγω της παρουσία τους στους εδώδιμους ιστούς των ψαριών). ΒΡΟΧΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΩΚΕΑΝΟΣ ΕΔΑΦΟΣ ΙΖΗΜΑΤΑ Σχ.1.1. Ο υδράργυρος εκλύεται στην ατμόσφαιρα από φυσικές και ανθρωπογενείς πηγές με τη μορφή στοιχειακών ατμών Hg. Μετατρέπεται στη συνέχεια σε Ηg 2+. Στο τέλος επιστρέφει στην επιφάνεια της γης με το νερό της βροχής και μπορεί να αναχθεί σε Hg και να επανεκλυθεί στην ατμόσφαιρα. Ατμοσφαιρική απόθεση του υδραργύρου Ατμοί Ηg () Ανόργανος Ηg (ΙΙ) Μεθυλιωμένος CH3Ηg Σχ Οι τρεις σημαντικότερες μορφές του υδραργύρου 5

14 ποτάμι ποτάμι ξηρά ξηρά Μεγάλα ψάρια Μικρά ψάρια Ζωοπλακτόν Φυτοπλακτόν a= Αβιοτικά b= Βακτήρια p= Φυτοπλακτόν Ιζηματοποίηση ιζηματοποίηση Σχ.1.3. Ο βιογεωχημικός κύκλος του υδραργύρου. Υπό μορφή μονοατομικών ατμών Hg είναι το 99% του ατμοσφαιρικού υδραργύρου. Οξείδωση πραγματοποιείται σε Hg 2+, ενδεχομένως μέσω της δράσης του όζοντος. Η απόθεση είναι κυρίως στο νερό της βροχής. Οι ενώσεις μεθυλυδραργύρου έχουν ανιχνευθεί στην ατμόσφαιρα. Η προέλευσή τους είναι άγνωστη. Ένας σημαντικός μετασχηματισμός είναι η μεθυλίωση του Hg 2+ από οργανισμούς, στους ωκεανούς και τις θάλασσες με συνέπεια τη βιοσυσσώρευση στην υδρόβια τροφική αλυσίδα. 1.4 Ατμοί υδραργύρου Ένα μεγάλο μέρος των γνώσεων για την ανθρώπινη τοξικολογία του εισπνεόμενου ατμού υδραργύρου προέρχεται από τις μελέτες που έγιναν σε τυχαίο περιβάλλον ή σε περιβάλλον που σχετιζόταν με τις ενώσεις υδραργύρου. Οι επιπτώσεις στην υγεία από τον ατμό υδραργύρου αποτέλεσαν το αντικείμενο μιας πρόσφατης σημαντικής αναθεώρησης από μια ειδική Επιτροπή Παγκόσμιας Οργάνωσης Υγείας (WHO). Οξείες εκθέσεις σε υψηλές συγκεντρώσεις ατμού υδραργύρου (σχ. 1.4) προκαλούν σοβαρά πνευμονολογικά προβλήματα, οδηγώντας μερικές φορές στη πνευμονία. Από τους ατμούς υδραργύρου μπορεί επίσης να παρουσιαστούν συμπτώματα παρόμοια με εκείνα της γρίπης όπως π.χ. πυρετός. Τέτοιες εκθέσεις σήμερα είναι σπάνια γεγονότα [2]. 6

15 Οι εκθέσεις στο επαγγελματικό περιβάλλον μπορούν να οδηγήσουν σε πάρκινσον, ουλίτιδα, και διάφορους ερεθισμούς. Το τρέμουλο των χεριών (πάρκισον) μπορεί να είναι τόσο σοβαρό που ο άνθρωπος που το έχει να είναι ανίκανος να κρατήσει ένα ποτήρι νερό. Η υδραργυρίωση είναι ένα ευρύ φάσμα των ψυχολογικών και διαταραχών προσωπικότητας. Μπορεί να περιλαμβάνει το παραλήρημα, τις παραισθήσεις, την υπερβολική συστολή, και ανικανότητα στον έλεγχο της οργής. Επίπεδα Αέρα ( μg Hg /m 3 ) Ούρα (μg Hg/g κρεατινίνης) Εργαζόμενοι σε βιομηχανία Κορεσμένη ατμόσφαιρα Πνευμονολογικά προβλήματα Οδοντίατροι Γενικός πληθυσμός Αμαλγάματα Μη αμαλγάματα Νευρολογικό σύνδρομο. Στοματίτιδες / ουλίτιδες Κλασσική υδραργυρίωση Ερεθισμοί, τρεμούλα Ψυχοκινητικά προβλήματα Περιορισμός μνήμης Τρεμούλα Νευρολογικά προβλήματα Ακεφιά Σχ Τα σημαντικότερα συμπτώματα που προκαλούν οι εισπνεόμενοι ατμοί υδραργύρου παρατίθενται σύμφωνα με τη συγκέντρωση στον αέρα ή τα ποσοστά έκκρισης στα ούρα. Ποσοστό έκκρισης στα ούρα 5 μg Hg/g κρεατινίνης ισοδύναμεί με 4 μg Hg/m 3 στον αέρα. Πολλά από τα σημάδια και τα συμπτώματα ήταν γνωστά στην ιατρική επιστήμη όταν χρησιμοποιήθηκε ο υδράργυρος στην θεραπεία της σύφιλης. Γενικά, σοβαρά συμπτώματα δεν πρέπει να εμφανίζονται σε επίπεδα συγκέντρωσης στον αέρα κάτω από 1 μg/m 3 ή κάτω από το αντίστοιχο ποσοστό έκκρισης στα ούρα περίπου 8 μg Hg/g κρεατινίνη. Χρόνια έκθεση στον επαγγελματικό χώρο σε μικρότερο επίπεδο συνδέονται με ηπιότερα σημάδια και συμπτώματα. Ένα ήπιο τρέμουλο μπορεί να εμμείνει για αρκετούς μήνες αφότου παύσει η έκθεση. 7

16 Έχουν ανιχνευθεί επίσης οι ηλεκτροφυσιολογικές αλλαγές όπως η επιβραδυνόμενη ταχύτητα διεξαγωγής νεύρων και η μειωμένη μνήμη για μικρό χρονικό διάστημα. Τέτοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί σε επίπεδα ούρων χαμηλότερα των 25 έως 35 μg Hg/g κρεατινίνης. Ο εισπνεόμενος ατμός υδραργύρου προκαλεί επίσης προβλήματα στα νεφρά. Σε επίπεδα ούρων επάνω από 5 μg Hg/g κρεατινίνης, έχουν αναφερθεί υποκλινικές αλλαγές. Οι δείκτες της αρχικής ζημίας στο κεντρικό νεφρικό σύστημα, όπως η ν- ακετυλογλυκοσαμινιδάση (NAG) και η αλκαλική φωσφατάση, μπορούν επίσης να είναι υψηλοί στα ούρα. Γενικά, εκτενή και καθορισμένα επιδημιολογικά στοιχεία δεν εμφανίζονται σε επίπεδα ούρων κάτω από 35 μg Hg/g κρεατινίνης. 1.5 Μεθυλυδράργυρος Εκτεταμένη επισκόπηση των επιπτώσεων του μεθυλυδραργύρου στην υγεία των ανθρώπων δημοσιεύθηκε το 199 από μια ειδική επιτροπή της Παγκόσμιας Οργάνωσης Υγείας WHO. Αυτό το τμήμα συνόψισε τα εμφανή σημεία από αυτήν την επισκόπηση και πρόσθεσε τις νέες πληροφορίες από τις πιο πρόσφατες εκθέσεις. Πρώτα ατυχήματα. Η ιστορία της ανθρώπινης τοξικολογίας του μεθυλυδραργύρου (σχ. 1.5) αρχίζει αμέσως μετά από τη σύνθεσή του, από τον Frankland, ο πρώτος καθηγητής χημείας στο πανεπιστήμιο του Manchester. Προς το τέλος της δεκαετίας του 185, σε ένα νοσοκομείο στο Λονδίνο ανέπτυξε μια διαδικασία σύνθεσης του διμεθυλικού παραγώγου του υδραργύρου. Το προϊόν είναι ένα ελαιούχο υγρό. Μερικά έτη αργότερα, το 1865, αυτό το υγρό ανατράπηκε τυχαία επάνω στο εργαστηριακό πάτωμα. Δύο φαρμακοποιοί πέθαναν και ένας τρίτος δηλητηριάστηκε σοβαρά. Αυτό το γεγονός πέρασε στη βιβλιογραφία του 19 ου αιώνα της οργανικής χημείας που επεξηγεί τους πιθανούς κινδύνους των νέων άγνωστων ενώσεων και των τότε τρομερά ανεπαρκών διαδικασιών εργαστηριακής υγιεινής. Αυτό το ευρέως κοινοποιημένο γεγονός εμπόδισε κάπως την περαιτέρω έρευνα για αυτές τις ενώσεις για το μεγαλύτερο μέρος του υπόλοιπου του αιώνα. 8

17 Περιστατικά Πρώτη χημική σύνθεση Επαγγελματικό τοξικό δυστύχημα Μιναμάτα Νιγκάτα Iraq Αναφορά σουηδών ερευνητών Αναφορά WHO Μελέτες συντήρησης στα ψάρια Δύο θάνατοι Κλινικό σύνδρομο Παθολογική βλάβη στον εγκέφαλο σε ενήλικες Προγεννετικά αποτελέσματα Υδράργυρος σε αίμα και μαλλιά Όρια Απόκριση δοσολογίας σε ενήλικες και προγεννετικά Αιτίες δηλητηρίασης Επιδημιολογικό τοξικό δυστύχημα Σχ 1.5. Απεικονίζονται διαγραμματικά τα σημαντικότερα γεγονότα που συνέβαλαν στη γνώση της τοξικότητας των ενώσεων του μεθυλυδραργύρου. Δηλητηριάσεις σε επαγγελματικούς χώρους: Το 1938, συνέβη ένα τοξικό δυστύχημα σε εργοστάσιο παρασκευής μεθυλυδραργυρικών ενώσεων και προκάλεσε θανάτους. Αυτός ήταν ο πρώτος απολογισμός δηλητηρίασης από μεθυλυδράργυρο. Τα συμπτώματα από τη δηλητηρίαση (υδραργυρίωση) ήταν νευρολογικά προβλήματα στα χέρια και τα πόδια, σημάδια αταξίας, συστολή των οπτικών πεδίων και κώφωση. Ένας επιζών αυτού του τοξικού δυστυχήματος, με το θάνατό του στις αρχές της δεκαετίας του 195, ήταν η πηγή του πρώτου υλικού αυτοψίας της έρευνας επάνω στην παθολογία ιστού. Οι εντυπωσιακές μορφολογικές αλλαγές έδειξαν προβλήματα στον εγκέφαλο. Κυριολεκτικά, μια τρύπα υπήρξε στο κοκκώδες στρώμα, στην παρεγκεφαλίδα. Φάνηκε ότι τα σημάδια δηλητηρίασης από τον μεθυλυδράργυρο οφείλονταν στην απώλεια κυττάρων στις συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου. Αυτή η εικόνα της εστιακής ζημίας στον εγκέφαλο επιβεβαιώθηκε στη συνέχεια από τις μελέτες για τα θύματα των προσεχών ιαπωνικών ατυχημάτων της Μιναμάτα [1]. Καταστροφές στην υγεία μεγάλης μάζας ανθρώπων: Εγκαταστάσεις παρασκευής ακεταλδεΰδης στη Μιναμάτα (Minamata) της Ιαπωνίας (σχ. 1.5,1.6) απελευθέρωνε από άγνοια μεθυλυδράργυρο μαζί με άλλες ενώσεις υδραργύρου σε κοντινό κόλπο του Ειρηνικού ωκεανού. Τα συμπτώματα της νευρολογικής ασθένειας εμφανίστηκαν στους ψαράδες και τις οικογένειές τους, καθώς επίσης και στα κατοικίδια ζώα όπως οι γάτες. Ποτέ πριν, ένα χημικό δεν ήταν απελευθερωμένο σε έναν μεγάλο κόλπο του 9

18 ωκεανού σε έναν τέτοιο βαθμό, ώστε να προκαλεί στους ανθρώπους που καταναλώνουν τα ψάρια σοβαρές δηλητηριάσεις και θανάτους. Πράγματι, ένα από τα πολλά μαθήματα ήταν η συνειδητοποίηση της τεράστιας δυνατότητας του μεθυλυδραργύρου να συσσωρεύεται στην υδρόβια τροφική αλυσίδα [3]. Το επίπεδο συγκέντρωσης του μεθυλυδραργύρου που εμφανίστηκε στα ψάρια ήταν παραπάνω από 2 mg/l και τα στοιχεία αυτοψίας στους ανθρώπους έδειξαν επίσης συγκέντρωση της τάξεως των mg/l στον εγκέφαλο και άλλους ιστούς. Συνολικά 53 περιπτώσεις αναφέρθηκαν αρχικά, αλλά οι ακόλουθες μελέτες έδειξαν ότι αυτοί οι αριθμοί μπορούν να επεκταθούν σε χιλιάδες. Μια έρευνα ειδικής σημασίας ήταν η έκθεση στον υδράργυρο και η δηλητηρίαση από αυτόν στις προγεννετικές περιπτώσεις. Βρέθηκε ότι το νήπιο εμφανίστηκε να επηρεάζεται σοβαρότερα από τη μητέρα. Αυτό είχε επιβεβαιωθεί και από προηγούμενη αναφορά από μια σουηδική ομάδα που μελέτησε την προγεννητική δηλητηρίαση του εμβρύου από τη μητέρα. Το τοξικό δυστύχημα στη Μιναμάτα (Minamata) ακολουθήθηκε από ένα ακόμη στη περιοχή Νιγκάτα (Nigata) της Ιαπωνίας στις αρχές της δεκαετίας του 196. Ομοίως, εγκαταστάσεις ακεταλδεΰδης ήταν η πηγή μεθυλυδραργύρου, που απορρίπτονταν σε αυτήν την περίπτωση σε έναν ποταμό. Πληθυσμός Μιναμάτα Iraq Λαμβανόμενη ποσότητα μg Hg/ μέρα Κίνδυνος Αρκετές περιπτώσεις Συντήρηση τροφών ψαριού Γενικός πληθυσμός Ελάχιστο επίπεδο με συμπτώματα σε ενήλικους Ανεκτό όριο από τη WHO Σχ Απεικονίζονται διαγραμματικά τα σημαντικότερα χαμηλότερα επίπεδα επίδρασης μεθυλυδραργύρου στους ενήλικους ανθρώπους. Το τοξικό δυστύχημα στη Νιγκάτα (Nigata) παρείχε ικανοποιητικές πληροφορίες. Μία σουηδική ομάδα ερευνητών όρισε το χαμηλότερο επίπεδο συγκέντρωσης 1

19 υδραργύρου στο αίμα και τα μαλλιά. Κατά συνέπεια, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ένας μέσος όρος καθημερινής έκθεσης 3 μg Hg ως μεθυλυδράργυρο θα προκαλούσε ένα μέγιστο επίπεδο 2 μg Hg/L αίματος στο άτομο (σχ 1.5). Αργότερα, μια ειδική επιτροπή WHO χρησιμοποίησε τα ίδια στοιχεία για να υπολογίσει μια ανεκτή εβδομαδιαία έκθεση σε μεθυλυδράργυρου. Πραγματοποίησαν αυτό ουσιαστικά με την εφαρμογή ενός «παράγοντα ασφάλειας» το 1, στα χαμηλότερα επίπεδα επίδρασης που είχαν εμφανιστεί στο δυστύχημα στη Νιγκάτα. Η ισοδύναμη ανεκτή καθημερινή λαμβανόμενη ποσότητα θα ήταν 3 μg Hg που αντιστοιχεί σε ένα επίπεδο 2 μg Hg/L αίματος και ένα επίπεδο 5 μg Hg/g τρίχας. Αυτοί οι αριθμοί έχουν παραμείνει αμετάβλητοι μέχρι σήμερα και έχουν υιοθετηθεί από πολλά κράτη και φορείς ως εθνικά πρότυπα. Η μεγαλύτερη καταστροφή πραγματοποιήθηκε στο Ιράκ το χειμώνα του Μετά από τις φτωχές παραγωγές συγκομιδών στο προηγούμενο έτος, η ιρακινή κυβέρνηση εισήγαγε μεγάλες ποσότητες σπόρου σιταριού, κυρίως σίτο και κριθάρι. Ζήτησαν στο σπόρου σιταριού να χρησιμοποιείται ένα μυκητοκτόνο με σκοπό να αυξηθεί η παραγωγή. Αυτό οδήγησε στη χρησιμοποίηση λανθασμένου μυκητοκτόνου που περιείχε ενώσεις μεθυλυδραργύρου. Πολλοί από τους αγρότες και τις οικογένειές τους κατανάλωσαν αυτό το σιτάρι ως σπιτικό ψωμί παρά τις ετικέτες προειδοποίησης. Το αποτέλεσμα ήταν μια μαζική δηλητηρίαση. Τα νοσοκομεία και άλλες ιατρικές εγκαταστάσεις γέμισαν με βαριές περιπτώσεις. Οι επίσημοι αριθμοί ήταν 6.53 περιπτώσεις που αναγνωρίστηκαν στο νοσοκομείο. Εντούτοις, οι ακόλουθες έρευνες έδειξαν ότι η πλήρης έκταση του δυστυχήματος περιέλαβε πολλά περισσότερα θύματα. Πράγματι, το τοξικό δυστύχημα του ήταν η χειρότερη καταστροφή στην ιστορία της ανθρωπότητας από χημική δηλητηρίαση υδραργύρου. 11

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 o ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΣΕ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΟ ΜΑΖΑΣ (GC-MS) Αέρια χρωματογραφία / φασματομετρία μαζας (GC-MS) είναι μία σύζευξη δύο ισχυρών αναλυτικών τεχνικών. Η αέρια χρωματογραφία διαχωρίζει τα συστατικά ενός μίγματος αποτελεσματικά και το φασματόμετρο μάζας παρέχει τις πληροφορίες που βοηθούν στην αναγνώριση της δομής κάθε συστατικού. 2.1 Σύντομη ιστορική αναδρομή της αέριας χρωματογραφίας Η χρωματογραφία άρχισε μέσα στον εικοστό αιώνα όταν διαχώρισε ο Ramsey [5] τα μίγματα αερίων και ατμών στα προσροφητικά όπως τον ξυλάνθρακα και ο Μichael Tswett [6] διαχώρισε τις χρωστικές ουσίες με υγρή χρωματογραφία. Ο Tswett είναι γνωστός ως ο "πατέρας της χρωματογραφίας" κυρίως επειδή περιέγραψε επιστημονικά τη διαδικασία. Η αέρια χρωματογραφία είναι εκείνη η μορφή χρωματογραφίας στην οποία το αέριο είναι η κινούμενη φάση. Μια σημαντική εργασία δημοσιεύθηκε αρχικά το 1952 [7], όταν ενέργησαν οι Martin και ο συνάδελφός του James σε μια πρόταση που είχε γίνει 11 έτη νωρίτερα από τον Martin τον ίδιο κερδίζοντας βραβείο Νόμπελ για τη χρωματογραφία διαχωρισμών [8]. Γρήγορα ανακαλύφθηκε ότι η GC ήταν απλή, γρήγορη και εφαρμόζεται στο διαχωρισμό πολλών πτητικών υλικών ειδικά πετροχημικών, για τα οποία η απόσταξη ήταν η συνιστώμενη μέθοδος διαχωρισμού εκείνη την περίοδο. Σε πολύ σύντομο χρόνο η αέρια χρωματογραφία (GC), έχει γίνει η κυριότερη τεχνική για το διαχωρισμό και την ανάλυση των πτητικών ενώσεων. Έχει χρησιμοποιηθεί για να αναλύσει αέρια, υγρά και στερεά τα οποία διαλύονται συνήθως σε πτητικούς διαλύτες. Επίσης μπορούν να αναλυθούν τα οργανικά και ανόργανα υλικά, με μοριακά βάρη που μπορούν να κυμανθούν από 2 ως πάνω από 1. Daltons. Οι αέριοι και υγροί χρωματογράφοι είναι τα ευρύτατα χρησιμοποιημένα αναλυτικά όργανα στον κόσμο [4]. Οι αποδοτικές τριχοειδείς 12

21 στήλες παρέχουν υψηλό διαχωρισμό, παραδείγματος χάριν, μπορούν και διαχωρίζουν περισσότερα από 45 συστατικά στο άρωμα του καφέ, ή τα συστατικά σε ένα σύνθετο φυσικό προϊόν όπως το πετρέλαιο. Οι ευαίσθητοι ανιχνευτές όπως ο ανιχνευτής ιοντισμού φλόγας μπορούν να μετρήσουν ποσοτικά 5 μg ml 1 των οργανικών ενώσεων με μια σχετική σταθερή απόκλιση περίπου των 5%. Αυτοματοποιημένα συστήματα μπορούν να χειριστούν περισσότερα από 1 δείγματα ανά ημέρα με τον ελάχιστο χρόνο. 2.2 Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Η αέρια χρωματογραφία αναπτύχθηκε ως αναλυτική τεχνική τα τελευταία τριάντα χρόνια. Η τεχνική αυτή είναι σχετικά απλή, αν συγκριθεί με ανάλογες τεχνικές χημικής ανάλυσης και με τις μεγάλες δυνατότητες εφαρμογής που έχει. Χρησιμοποιείται για την ανάλυση πτητικών ουσιών σε τρόφιμα, φάρμακα, προϊόντα πετρελαίου, βιομηχανίες αρωματοποιίας κ.τ.λ [9]. Η βασική αρχή ενός αέριου χρωματογράφου περιλαμβάνει την πτητικότητα του δείγματος σε έναν θερμαινόμενο στόμιο εισαγωγής (injector), τον διαχωρισμό των συστατικών του μίγματος σε μια ειδική στήλη με βάση το χρόνο και την ανίχνευση κάθε συστατικού από έναν ανιχνευτή. Ένα σημαντικό τμήμα του αέριου χρωματογράφου είναι η χρήση ενός φέροντος αερίου, όπως το υδρογόνο ή το ήλιο, για να μεταφέρει το δείγμα από τον εγχυτήρα, μέσω της στήλης, και στον ανιχνευτή. Η στήλη, ή η πληρωμένη στήλη, περιέχει ένα επίστρωμα στατικής φάσης. Ο διαχωρισμός των συστατικών καθορίζεται από τη κατανομή κάθε συστατικού μεταξύ του φέροντος αερίου (κινητή φάση) και της στατικής φάσης. Ένα συστατικό που ξοδεύει λίγο χρόνο στη στατική φάση θα εκλουστεί γρήγορα. Μόνο εκείνα τα υλικά που μπορούν να ατμοποιηθούν χωρίς αποσύνθεση είναι κατάλληλα για την ανάλυση με αέρια χρωματογραφία [1]. Η απλοποιημένη διάταξη του αέριου χρωματογράφου δίνεται στο σχήμα

22 Σχ Η διάταξη του αέριου χρωματογράφου [9] Το φέρον αέριο (συνήθως ήλιο, άζωτο, αργό, υδρογόνο) από τη φιάλη υψηλής πίεσης, μέσα από ρυθμιστές παροχής, οδηγείται στη στήλη η οποία είναι και το σημαντικότερο μέρος της αέριας χρωματογραφίας. Η εισαγωγή του δείγματος γίνεται στην κορυφή της στήλης συνήθως με μικροσύριγγα στη βαλβίδα εισαγωγής του δείγματος. Τα συστατικά του δείγματος συμπαρασύρονται από το φέρον αέριο κατά το μήκος της στήλης και διαχωρίζονται. Τα κλάσματα στη συνέχεια ανιχνεύονται από τον ανιχνευτή και τα σήματα της ανίχνευσης καταγράφονται από το καταγραφικό ή οδηγούνται σε μικροϋπολογιστή. To δείγμα όγκου συνήθως 1 μl εισάγεται στο ρεύμα του φέροντος αερίου στην αρχή της στήλης με μια μικροσύριγγα, διαμέσου μιας ελαστικής πλακέτας ή μιας βαλβίδας (septum). Η ταχύτητα και η ικανότητα διαχωρισμού εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Γι αυτό η στήλη βρίσκεται μέσα σε ένα φούρνο ακριβείας ο οποίος δίνει αυστηρά επαναλήψιμες συνθήκες. 2.3 Φέρον αέριο Ως φέρον αέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί κάθε αέριο σε υπερκάθαρη κατάσταση. Πρέπει να είναι αδρανές και απαλλαγμένο από προσμίξεις, να μην υπάρχει οξυγόνο γιατί οξειδώνει τη στατική φάση και αυτό σημαίνει καταστροφή της στήλης. Επίσης να είναι απαλλαγμένο από υγρασία διότι η υγρασία ενεργοποιεί τη στατική φάση. Το ήλιο είναι γενικά ένα φέρον αέριο, αλλά και το υδρογόνο και το άζωτο χρησιμοποιούνται συχνότερα σε ορισμένες εφαρμογές [11]. Μια σημαντική παράμετρος είναι η γραμμική ταχύτητα του φέροντος αερίου. Η γραμμική ταχύτητα μπορεί να καθοριστεί με την έγχυση μιας ένωσης, όπως το αργό ή το βουτάνιο, τα οποία δεν συγκρατούνται από τη στατική φάση των στηλών και μετράται ο χρόνος 14

23 από την έγχυση στην ανίχνευση. Ως εκ τούτου, η γραμμική ταχύτητα είναι ο χρόνος συγκράτησης σε δευτερόλεπτα που διαιρούνται με μήκος των στηλών σε εκατοστά [1]. 2.4 Εισαγωγή δειγμάτων Υπάρχουν διάφοροι τύποι συστημάτων εισαγωγής δειγμάτων διαθέσιμων για την ανάλυση αέριας χρωματογραφίας. Η χρησιμοποιούμενη συσκευή εισαγωγής δειγμάτων εξαρτάται από την εφαρμογή Εισαγωγή υγρών δειγμάτων Τα υγρά δείγματα εισάγονται συνήθως μέσα στη στήλη διαμέσου ενός διαφράγματος, το οποίο βρίσκεται στην είσοδο του οργάνου και σε όγκους 1 μl με μια μικροσύριγγα. Το φέρον αέριο οδηγεί το δείγμα στη στήλη και με σωστά σχεδιασμένες συνθήκες πίεσης, παροχής του φέροντος αερίου και θερμοκρασίας, το δείγμα εξατμίζεται, εξαερώνεται και διαχωρίζεται μέσα στη στήλη. Ιδιαίτερα ικανοποιητικοί αεριοχρωματογραφικοί διαχωρισμοί γίνονται όταν το δείγμα εισάγεται στη στήλη ως μια ταινία. Για το λόγο αυτό η εξάχνωση του δείγματος πρέπει να γίνεται με απότομη θέρμανση της βαλβίδας εισαγωγής του δείγματος. Υπάρχουν πολλοί τύποι βαλβίδων εισαγωγής του δείγματος (injectors) στη χρωματογραφική στήλη. Ο βασικός είναι αυτός που δίνεται στο σχήμα Σύστημα άμεσης έγχυσης δείγματος Με την έγχυση πάνω στη στήλη το δείγμα εγχύεται άμεσα επάνω στη στήλη χρησιμοποιώντας μια μικρή βελόνα συριγγών. Προφανώς, αυτή η τεχνική είναι ευκολότερη να χρησιμοποιηθεί σε GC στήλες με μεγαλύτερη οπή, αλλά οι σύγχρονοι αέριοι χρωματογράφοι μπορούν ακριβώς να ελέγξουν τη διαδικασία εγχύσεων πάνω στη στήλη, συμπεριλαμβανομένου του αυτόματου ελέγχου της θέρμανσης και της ψύξης του εγχυτήρα. Αυτή η μέθοδος ανάλυσης δίνει καλά ποσοτικά αποτελέσματα και είναι ιδιαίτερα πολύτιμη για ενώσεις με ποικίλα σημεία βρασμού και θερμικά ασταθή δείγματα. Με αυτήν την τεχνική, ένα σύντομο τμήμα του χωρίς επίστρωση 15

24 (αδρανούς) πεπληρωμένου τριχοειδούς σωλήνα πυριτίου παρεμβάλλεται συχνά μεταξύ της θέσης εγχύσεων και της τριχοειδούς αναλυτικής στήλης. Για αποτελεσματικό διαχωρισμό πρέπει κατάλληλη ποσότητα δείγματος να εισαχθεί σαν «βύσμα» (plug) ατμού. Η βραδεία εισαγωγή υπερβολικής ποσότητας δείγματος οδηγεί σε διεύρυνση ζωνών και σε κακό διαχωρισμό. Η συνηθέστερη τεχνική έγχυσης είναι η έγχυση του υγρού ή αερίου δείγματος με μικροσύριγγα, μέσω ενός αυτοσφραγιζόμενου ελαστικού διαφράγματος σιλικόνης (septum). To δείγμα εισέρχεται από το στόμιο εισόδου στο χώρο ταχείας εξάτμισης, που βρίσκεται στην κεφαλή της στήλης (η θερμοκρασία του χώρου αυτού είναι τουλάχιστον 5 C πάνω από το σημείο βρασμού του λιγότερου πτητικού συστατικού του δείγματος). Στο σχήμα 2.2 δείχνεται ένα τυπικό στόμιο έγχυσης δείγματος. Για τις κοινές αναλυτικές στήλες η ποσότητα του δείγματος κυμαίνεται από λίγα δέκατα του μικρόλιτρου έως 1 μl. Οι τριχοειδής στήλες απαιτούν πολύ μικρότερα δείγματα (=1-3 μl). Για την περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται σύστημα διαμοιραστή για την εισαγωγή στην κεφαλή της στήλης μικρού μόνο κλάσματος του εγχυόμενου δείγματος, ενώ το υπόλοιπο οδηγείται στα απόβλητα. Σύριγγα Ελαστικό διάφραγμα Φέρον αέριο GC στήλη Σχ Στόμιο έγχυσης δείγματος 2. Εισαγωγή δείγματος με διαχωρισμό ροής (Split Injection) Με διαχωρισμό ροής (split injection), το εγχυόμενο δείγμα ατμοποιείται στο ρεύμα του φέροντος αερίου και ένα τμήμα του δείγματος και του διαλύτη, ενδεχομένως, κατευθύνεται επάνω στη κεφαλή της στήλης GC. Το υπόλοιπο 16

25 εξατμίζεται γιατί σε αντίθετη περίπτωση θα οδηγούσε σε υπερφόρτωση της στήλης (σχ 2.3). Η χαρακτηριστική αναλογία split κυμαίνεται από 1:1 σε 1:1 [9,1]. Καθαρισμός διαφράγματος Διαχωριστής ροής Έξοδος διαχωρισθέντος δείγματος Τριχοειδής στήλη Σχ.2.3. Σύστημα εισαγωγής με διαχωρισμό ροής 3. Εισαγωγή του δείγματος χωρίς διαχωρισμό ροής (Splitless Injection) Στην έγχυση χωρίς διαχωρισμό ροής όλο το δείγμα (1 μl) εξατμίζεται και συμπυκνώνεται στις πρώτες στροφές της τριχοειδούς στήλης. Υψηλή ροή του φέροντος αερίου που εισάγεται μέσω εξωτερικής βαλβίδας στη συνέχεια καθαρίζει με εξαερισμό το σύστημα εισαγωγής του δείγματος. Η έγχυση χωρίς διαχωρισμό ροής, επομένως, συγκεντρώνει το δείγμα επάνω στη κεφαλή της κρύας στήλης και καθαρίζει το μεγαλύτερο μέρος του πτητικού διαλύτη. Για αυτόν τον λόγο και επειδή μεγάλα ποσά δείγματος μπορούν να εγχυθούν, η έγχυση χωρίς διαχωρισμό ροής χρησιμοποιείται για την ιχνοανάλυση. Η splitless μέθοδος δεν συστήνεται για μεγάλο εύρος δειγμάτων εάν απαιτείται ποσοτικός προσδιορισμός. Για καλύτερα αποτελέσματα, το σημείο βρασμού του διαλύτη πρέπει να είναι τουλάχιστον 2 C κάτω από το χαμηλότερο σημείο βρασμού των συστατικών του δείγματος. Αν και η splitless έγχυση είναι η συνιστώμενη μέθοδος για τις ιχνοαναλύσεις απαιτεί τη βελτιστοποίηση τέτοιων παραμέτρων όπως τη θερμοκρασία των στηλών και o χρόνος. Γενικά η τεχνική προτιμάται για αραιά δείγματα [9,1]. 4. Αυτόματος δειγματολήπτης Στο εμπόριο υπάρχει μια σειρά διατάξεων που επιτρέπει την αυτόματη εισαγωγή αέριων, υγρών και στερεών δειγμάτων. Οι διατάξεις αυτές ρυθμίζονται να εισάγουν 17

26 αυτόματα μικροποσότητες δείγματος σε ορισμένα χρονικά διαστήματα, να ρυθμίζουν τον προγραμματισμό της θερμοκρασίας αυτόματα και να ψύχουν τη στήλη. 5. Εγχυτήρες που ρυθμίζουν τον προγραμματισμό της θερμοκρασίας Ο εγχυτήρας που ρυθμίζει τον προγραμματισμό της θερμοκρασίας κρατιέται κοντά στο σημείο βρασμού του διαλύτη μετά από την έγχυση του δείγματος. Η θερμοκρασία φθάνει στην επιθυμητή μέγιστη θερμοκρασία, η οποία είναι κανονικά υψηλότερη από αυτή ενός ισόθερμου (σταθερή θερμοκρασία) εγχυτήρα. Δεδομένου ότι τα συστατικά των δειγμάτων ατμοποιούνται, μεταφέρονται επάνω στη κεφαλή της στήλης GC. Αυτή η τεχνική είναι μια παραλλαγή της έγχυσης πάνω στη στήλη, αλλά μειώνει τη διεύρυνση των κορυφών που συχνά παρατηρείται με τις εγχύσεις πάνω στη στήλη Βαλβίδες εισαγωγής αέριου δείγματος Η βαλβίδα εισαγωγής αέριου δείγματος χρησιμοποιείται και για τις ποιοτικές και ποσοτικές αναλύσεις των αερίων. Η βαλβίδα περιέχει έναν βρόχο γνωστού όγκου στον οποίο μπορεί το αέριο να ρεύσει όταν είναι η βαλβίδα στη θέση δειγματοληψίας. Με την αλλαγή της βαλβίδας στην προς ανάλυση θέση, το αέριο μέσα στον βρόχο μεταφέρεται από φέρον αέριο στη GC στήλη. Οι βαλβίδες δειγματοληψίας αερίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μειωμένη πίεση για την ανάλυση των υγρών με χαμηλό σημείο βρασμού που ατμοποιούνται σε μειωμένες πιέσεις. 1.Δειγματοληψία από υπερκείμενη αέρια φάση (headspace sampling) για πτητικά συστατικά από πολύπλοκά υποστρώματα π. χ βιολογικά υγρά, περιβαλλοντικά δείγματα κ.α. 2. Διατάξεις παγίδευσης (purge and trap) για πτητικά στατικά που παγιδεύονται σε πορώδη πολυμερή υποστρώματα και διατηρούνται μέχρι να εκροφηθούν θερμικά Συσκευές συγκέντρωσης για την έγχυση δειγμάτων. Διάφορες συσκευές για τις οργανικές χημικές αναλύσεις είναι εμπορικά διαθέσιμες. Αυτές οι συσκευές βρίσκονται σε σύζευξη με το σύστημα εισόδου της αέριας χρωματογραφίας και συγκεντρώνουν τις οργανικές ουσίες από μεγάλα δείγματα του αέρα ή του ύδατος. Οι περισσότερες από αυτές τις συσκευές παγιδεύουν τις 18

27 οργανικές ουσίες επάνω στα προσροφητικά όπως ο ξυλάνθρακας ή / και τα πορώδη πολυμερή σώματα. Το δείγμα εκροφάται θερμικά επάνω στη κεφαλή μιας στήλης GC με το αντίστροφο ξέπλυμα με το φέρον αέριο. Οι συσκευές συγκέντρωσης χρησιμοποιούνται επίσης για την ανάλυση off-gases από τέτοια υλικά όπως τα πολυμερή σώματα. Συχνά, ένα απλό στάδιο ψύξης είναι επαρκές για να παγιδέψει τις πτητικές ουσίες που εκροφώνται στη συνέχεια με γρήγορη αύξηση της θερμοκρασίας στη συσκευή παγίδευσης. 2.5 Οι στήλες GC Το κύριο μέρος του χρωματογράφου, είναι η στήλη. Οι στήλες που χρησιμοποιούνται είναι γυάλινες ή χαλύβδινες γεμισμένες με διάφορα υλικά ανάλογα με τα συστατικά που θέλουμε να διαχωρίσουμε. Το σχήμα τους έχει τη μορφή έλικας και η διάμετρος του είναι πάρα πολύ μικρή. Σήμερα χρησιμοποιούνται τριχοειδείς γυάλινες στήλες μήκους 25-3 m, εσωτερικά είναι καλυμμένες με διάφορα υλικά. Στην αέρια χρωματογραφία ο διαχωρισμός συμβαίνει μέσα σε έναν θερμαινόμενο κοίλο σωλήνα, τη στήλη. Η στήλη περιέχει ένα λεπτό στρώμα μιας μη πτητικής χημικής ουσίας που είναι είτε επιστρωμένη επάνω στα τοιχώματα της στήλης (τριχοειδείς στήλες) είτε επιστρωμένη επάνω σε ένα αδρανές στερεό που προστίθεται έπειτα στη στήλη (πεπληρωμένες στήλες). Τα συστατικά του εγχυόμενου δείγματος μεταφέρονται επάνω στη στήλη από το φέρον αέριο και καθυστερούνται επιλεκτικά από τη στατική φάση. Η θερμοκρασία του φούρνου στον οποίο η στήλη GC βρίσκεται αυξάνεται συνήθως σε ρυθμό 4-2 C/min έτσι ώστε σε υψηλότερη θερμοκρασία και τα πιο δύσκολα συστατικά να απελευθερωθούν διαδοχικά. Η αέρια χρωματογραφία περιορίζεται στις ενώσεις που είναι πτητικές ή μπορούν να γίνουν πτητικές και είναι αρκετά σταθερές για να διατρέξουν στη στήλη GC. Η παραγωγοποίηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει την αστάθεια και τη σταθερότητα μερικών δειγμάτων. Τα οξέα, τα αμινοξέα, οι αμίνες, τα αμίδια, τα φάρμακα, οι σακχαρίτες, και τα στεροειδή είναι μεταξύ των σύνθετων κατηγοριών που απαιτούν συχνά παραγωγοποίηση. Πιο αναλυτικά, οι χρωματογραφικές στήλες είναι συνήθως στήλες από ανοξείδωτο χάλυβα, ύαλο, τηγμένο πυρίτιο, τεφλόν με διάμετρο,2 mm μέχρι,8 mm, οι οποίες είναι τριχοειδείς με εσωτερική κάλυψη από διάφορα συστατικά 19

28 (capillary) ή είναι στήλες πεπλήρωσης γεμισμένες με διάφορες στατικές φάσεις (packed) (σχ 2.4) [4]. H πλήρωση των στηλών γίνεται με δύο τρόπους: α) Με τη χρησιμοποίηση κάποιου αερίου το οποίο βρίσκεται υπό πίεση ή β) με τη χρησιμοποίηση γραμμής κενού. Και στις δύο περιπτώσεις μετά το τέλος της πλήρωσης της στήλης πρέπει να σφραγίσουμε ερμητικά [9,1]. Πεπληρωμένη στήλη Τριχοειδείς στήλες Στήλη υλικού πλήρωσης Στήλες με επικάλυψη τοιχωμάτων Σχ Πληρωμένη στήλη και τριχοειδείς στήλες Τριχοειδείς στήλες Οι τριχοειδείς στήλες (σχ 2.4, 2.5 ) διακρίνονται σε δύο βασικούς τύπους: τις στήλες με επικάλυψη τοιχωμάτων (wall-coated tubular, WCOT) και τις στήλες με επικάλυψη υλικού στήριξης (support-coated, open tubular, SCOT). Οι στήλες με επικάλυψη τοιχωμάτων είναι τριχοειδείς με εσωτερικό τοίχωμα επικαλυμμένο με λεπτό στρώμα στατικής φάσης. Στις στήλες με επικάλυψη υλικού στήριξης, το εσωτερικό τοίχωμα του τριχοειδούς καλύπτεται από ένα λεπτό υμένιο (=3 μm) υλικού στήριξης όπως είναι η γη διατόμων όπου εκεί τοποθετείται η στατική φάση. Αυτός ο τύπος συγκρατεί πολλαπλάσια ποσότητα στατικής φάσης και γι αυτό χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερη χωρητικότητα δείγματος [12,13]. 2

29 Σχ Τριχοειδείς στήλες Οι πρώτες στήλες WCOT κατασκευάστηκαν από ανοξείδωτο χάλυβα, αλουμίνιο, χαλκό και στη συνέχεια από ύαλο. Οι νεότερες στήλες είναι στήλες ανοιχτού σωλήνα τηγμένης πυριτίας (fused-silica open tubular columns, FSOT) (σχ 2.7). Κατασκευάζονται με εφελκυσμό τήγματος πυριτίας ειδικής καθαρότητας που περιέχει ελάχιστα ποσά μεταλλικών οξειδίων. Οι στήλες αυτές έχουν εσωτερική διάμετρο 1 έως 32 μm και πολύ λεπτότερα τοιχώματα από τις γυάλινες. Τελευταία άρχισε η διάθεση τριχοειδών στηλών με διάμετρο 53 μm (στήλες megabore) που μπορούν να δεχθούν δείγματα παρόμοιου μεγέθους με εκείνα των πληρωμένων στηλών. Σχ Στήλη Perkin Εlmer DC-2 WCOT Στήλη ανοιχτού σωλήνα τηγμένης πυριτίας Επίστρωση πολυαμιδίου Τηγμένη πυριτία Στατική φάση Σχ Στήλη ανοιχτού σωλήνα τηγμένης πυριτίας. 21

30 Τα πλεονεκτήματα των τριχοειδών στηλών είναι: 1. Μεγάλος αριθμός θεωρητικών πλακών (μέχρι 5 σε σχέση με τις στήλες πλήρωσης 2) 2. Μικρότερη ποσότητα δείγματος (ng) 3. Μικρότερος χρόνος έκλουσης και ανάλυσης 4. Μικρότερες θερμοκρασίες διαχωρισμού (2 C) 5. Η εξέλιξη της τεχνολογίας επιτρέπει διαχωρισμό ουσιών που δε θα μπορούσαν να διαχωριστούν 6. Με 3-4 στήλες μπορούν να διαχωριστούν οποιεσδήποτε ενώσεις 7. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σύζευξη με ανιχνευτές 8. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν στήλες μεγάλου μήκους για να επιτευχθεί μεγάλη διαχωριστική ικανότητα. 9. Όρια ανίχνευσης περίπου ίδια, αλλά μικρότερη ποσότητα δείγματος Στήλες πλήρωσης Οι στήλες πλήρωσης κατασκευάζονται από γυάλινους σωλήνες, μεταλλικούς (από ανοξείδωτο χάλυβα, χαλκό, αλουμίνιο) ή πλαστικούς (από teflon) με μήκος 2-3m και εσωτερική διάμετρο 2-4 mm.οι σωλήνες αυτοί πληρούνται πυκνά με ένα λεπτό και ομοιόμορφο κονιοποιημένο πληρωτικό υλικό (υλικό στήριξης), το οποίο είναι καλυμμένο με ένα λεπτό στρώμα στατικής φάσης. Το υλικό στήριξης που χρησιμοποιείται είναι από γη διατόμων, η οποία είναι ένα φυσικό προϊόν και αποτελείται από σκελετούς χιλιάδων ειδών μονοκύτταρων οργανισμών (διάτομα) που ζούσαν σε αρχαίες λίμνες και θάλασσες Μικροστήλες υλικού πλήρωσης Οι μικροστήλες υλικού πλήρωσης συνδυάζουν τις ιδιότητες των τριχοειδών στηλών με ανοιχτά άκρα και των στηλών με υλικό πλήρωσης. Έχουν εσωτερική διάμετρο 1 mm και φέρουν υλικό πλήρωσης της ίδιας πυκνότητας με τις κανονικές. 22

31 Πίνακας 2.1. Σύγκριση διαφόρων ειδών τριχοειδών και στηλών πλήρωσης Α/Α WCOT μscot SCOT Συμβατικές 1,9,9,9 3,2-6,4 2,2,3,5 1,6-5, ,,1-2, 1,-1, 1, =Εξωτερική διάμετρος (mm), 2=Εσωτερική διάμετρος (mm), 3=Μήκος στήλης (m), 4=Αριθμός θεωρητικών πλακών Ν, 6=Ποσοστό επίστρωσης %, 7=Όγκος δείγματος (μl) 8= Πίεση (psi) 2.6 Στατική φάση Τα υλικά που χρησιμοποιούνται ως στατικές φάσεις (σχ. 2.8) χαρακτηρίζονται από χημική και θερμική σταθερότητα (π. χ πολυδιμεθυλοξάνιο, πολυαιθυλενογλυκόλη, πολύ φαινυλομεθυλοδιμεθυλοσιλοξάνιο (1% φαινύλια), πολύ φαινυλομεθυλοδιμεθυλοσιλοξάνιο (5% φαινύλια) κ.α Συνήθως οι συνθήκες λειτουργίας που επιλέγονται είναι 1-15 C χαμηλότερες από το ανώτατο όριο των υγρών φάσεων, όπως αυτά δίνονται σε πίνακες, ώστε να αποφεύγεται η εξάτμιση της υγρής στατικής φάσης να αυξάνεται το όριο ζωής της στήλης και να διατηρείται σταθερή η βασική γραμμή του ανιχνευτή. Η καλύτερη στατική φάση που προτείνεται γενικά είναι τα διμεθυλοσιλοξάνια και 5% φαίνυλο / 95% διμεθυλοσιλοξάνιο. Αυτές οι μη-πολικές φάσεις είναι λιγότερο επιρρεπής σε «διαρροές» από τις περισσότερο πολικές φάσεις. Γενικά μία λεπτή στατική φάση (,1 μm) είναι καλύτερη για ενώσεις με υψηλά σημεία βρασμού και μία πιο παχιά στατική φάση (1, μm) παρέχει καλύτερη συγκράτηση σε ενώσεις με χαμηλότερα σημεία βρασμού [12,13]. 23

32 Περιοχή θερμοκρασιών 1% Διμέθυλο πολυσιλοξάνιο λιγότερο πολική φάση 5% διφαίνυλο 95% διμέθυλο πολυσιλοξάνιο μη-πολική φάση 14% κυανοπροπυλοφαίνυλο 86% διμέθυλο πολυσιλοξάνιο ενδιάμεσα πολική φάση. Σχ Υλικά που χρησιμοποιούνται ως στατικές φάσεις 2.7 Συστήματα ανίχνευσης Ένα μεγάλο πλεονέκτημα της GC είναι η ποικιλία των ανιχνευτών που είναι διαθέσιμοι. Αυτοί περιλαμβάνουν τους καθολικούς ανιχνευτές, όπως οι ανιχνευτές ιοντισμού φλόγας και οι εκλεκτικοί ανιχνευτές, όπως οι φωτομετρικοί και θερμοιοντικοί ανιχνευτές φλογών. Οι περισσότερο χρησιμοποιούμενοι ανιχνευτές, αποκλείοντας το φασματόμετρο μάζας περιγράφονται στα εξής τμήματα. [1,6,7,8,9]. Ο ιδανικός ανιχνευτής ενός αεριοχρωματογράφου θα πρέπει να διαθέτει 1. Ικανοποιητική ευαισθησία. Οι ευαισθησίες των σύγχρονων ανιχνευτών κυμαίνονται στη περιοχή των g ουσίας/s. 2. Σταθερότητα και επαναληψιμότητα. 3. Γραμμική απόκριση. 4. Περιοχή θερμοκρασιών λειτουργίας από τη θερμοκρασία δωματίου μέχρι τουλάχιστον 4 C. 5. Σύντομους χρόνους απόκρισης ανεξάρτητους από τη ταχύτητα ροής. 6. Εξαιρετική αξιοπιστία και ευκολία στη χρήση. 7. Παρόμοια απόκριση προς όλες τις διαχωριζόμενες ουσίες ή εκλεκτική απόκριση προς τη προσδιοριζόμενη ουσία. 8. Να μην καταστρέφει το δείγμα. 24

33 2.7.1 Ανιχνευτές ιοντισμού φλόγας (FID) Οι περισσότερες οργανικές ενώσεις όταν πυρολυθούν στη θερμοκρασία φλόγας υδρογόνου / αέρα, παράγουν ιόντα και ηλεκτρόνια, τα οποία άγουν τον ηλεκτρισμό μέσω της φλόγας. Μεταξύ του ακροφύσιου του καυστήρα και ενός ηλεκτροδίου συλλέκτη πάνω ακριβώς από τη φλόγα εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού (σχ. 2.9). Ο ανιχνευτής δεν αποκρίνεται καθόλου σε μη καύσιμα αέρια, H 2 O, CO 2, SO 2, NO X. Οι ιδιότητες αυτές καθιστούν τον FID ένα πολύ χρήσιμο γενικό ανιχνευτή για ανάλυση των περισσότερων οργανικών δειγμάτων, περιλαμβανόμενων και εκείνων που έχουν μολυνθεί με ύδωρ και με οξείδια του αζώτου και του θείου. Ο FID έχει μεγάλη ευαισθησία (1-13 g/s), μεγάλη γραμμική περιοχή (1 7 ) και χαμηλό θόρυβο [9,11]. Φλόγα Η 2 -αέρα Είσοδος αέρα Είσοδος υδρογόνου Έξοδος στήλης Σχ Ανιχνευτής ιοντισμού φλόγας (FID) Ανιχνευτής θερμικής αγωγιμότητας (TCD) Ένας από τους πρώτους ανιχνευτές που βρίσκει πολλές εφαρμογές, βασίζεται στις μεταβολές που προκαλεί η παρουσία μορίων αναλύτη στη θερμική αγωγιμότητα ενός ρεύματος αερίου. Συχνά ο ανιχνευτής αυτός αναφέρεται και ως καθαρόμετρο. Το θερμαινόμενο στοιχείο είναι ένα λεπτό σύρμα λευκόχρυσου, χρυσού ή βολφραμίου ή ένα ημιαγώγιμο θερμίστορ. Στο σχήμα 2.1 παρουσιάζεται η διάταξη των ανιχνευτικών στοιχείων μιας τυπικής TCD. Χρησιμοποιούνται δύο ζεύγη στοιχείων. Το ένα ζεύγος τοποθετείται στη ροή του εκλούσματος από τη στήλη και το άλλο στη ροή αερίου πριν από την εισροή του στο θάλαμο έγχυσης του δείγματος. Τα στοιχεία αυτά αναφέρονται ως «δείγμα» και «αναφορά». Τα πλεονεκτήματα του ανιχνευτή 25