МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛЕЙ ДИПИРИДИЛИЯ В ПРОДУКЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И РАСТЕНИЕВОДСТВА | Опубликовать статью РИНЦ

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛЕЙ ДИПИРИДИЛИЯ В  ПРОДУКЦИИ  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И РАСТЕНИЕВОДСТВА

Научная статья

Федорова Н.Е.^1, *, Мухина Л.П.²

¹ ORCID: 0000-0001-8278-6382;

² ORCID: 0000-0002-2033-6869;

^{1, 2} ФБУН «Федеральный научный центр гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана» Роспотребнадзора, Мытищи, Россия

* Корреспондирующий автор (analyt1[at]yandex.ru)

Аннотация

Представлены  методические особенности методов определения остаточных количеств солей дипиридилия (на примере диквата дибромида) в картофеле, семенах гороха, рапса, сои и растительных маслах с применением ион-парной высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с ультрафиолетовым детектором после экстракции вещества из анализируемой пробы разбавленной серной кислотой при кипячении, очистки экстракта и концентрировании вещества ионообменной хроматографией на колонке с катионитом Дауэкс 50Wх8, а также дополнительной очистке на патроне для твердофазной экстракции С18 Sep Pak. Достигнуты нижние пределы количественного определения диквата в клубнях картофеля – 0,025 мг/кг, семенах сои, рапса, подсолнечника, горохе – 0,05 мг/кг, растительных маслах – 0,05 мг/кг.

Ключевые слова: дипиридилий, дикват, остаточные количества, ион-парная высокоэффективная жидкостная хроматография, ионообменная хроматография.

METHODOLOGICAL FEATURES OF DETERMINATION OF DIPYRIDYL SALTS IN AGRICULTURE AND PLANT PRODUCTS

Research article

Fedorova N.E.^1, * , Muhina L.P.²

¹ ORCID: 0000-0001-8278-6382;

² ORCID: 0000-0002-2033-6869;

^{1, 2} FBUN  “Federal scientific center of Hygiene n. a. F.F. Erisman”, Mytischi, Russia

* Corresponding author (analyt1[at]yandex.ru)

Abstract

The paper presents methodological features of methods for determining the residual amounts of dipyridyl salts (on the example of dibromide diquat) in potatoes, peas, rapeseeds, soybeans and vegetable oils using ion-pair high-performance liquid chromatography (HPLC) with an ultraviolet detector after extracting a substance from an analyzed sample with diluted sulfuric acid upon boiling, purification of the extract, and concentration of the substance by ion-exchange chromatography on a column with Dowex 50Wx8 cation exchange resin, as well as additional purification on pat solid-phase C18 Sep Pak extraction. The authors reached the lower limits for the quantitative determination of diquat in potato tubers — 0.025 mg/kg, soybean, rape, sunflower, pea — 0.05 mg/kg, vegetable oils — 0.05 mg/kg.

Keywords: dipyridyl, diquat, residual amounts, ion-pair high-performance liquid chromatography, ion-exchange chromatography.

Введение

На сегодняшний день одним из ключевых приемов технологии возделывания подсолнечника, картофеля, бобовых, зерновых и других культур стала десикация (подсушивание) вегетативной массы. Широкое применение для этих целей получили препараты на основе солей дипиридилия, представителем которых является дикват. Препараты на его основе используются как гербициды сплошного действия для уничтожения сорняков, так и в качестве дефолиантов (удаление листьев). В пестицидных препаратах дикват присутствует в виде диквата дибромида, который состоит из дикват-иона и двух атомов брома, при этом активной частью соли является дикват-ион.

Химическое наименование диквата дибромида по ИЮПАК –

1,1 – этилен-2,2 – дипиридилий дибромид

Химически чистый дикват дибромид – гигроскопическое белое кристаллическое вещество с температурой разложения 300⁰С. Коэффициент распределения н-октанол/вода: К_OW log P = – 4,60. Хорошо растворим в воде (700 г/л), плохо в спиртах и практически нерастворим в неполярных органических растворителях [2].

Вещество стабильно в нейтральном и кислом растворах, но легко гидролизуется в щелочной среде. Разлагается под действием УФ-облучения (DT₅₀ менее недели). Сильно связывается почвами и быстро разрушается почвенными микроорганизмами (DT₅₀ не адсорбированного диквата менее недели).

Изучение динамики остаточных количеств диквата в растительной продукции показало, что он практически не поступает в плоды, благодаря уникальному свойству моментальной инактивации при попадании в почву (ионный обмен) и не всасывается корнями растений, что очень важно при применении дипиридилия на овощных и зерновых культурах, растительных маслах [9].

Дикват отнесен ко 2 классу опасности по раздражающему действию на кожу по гигиенической классификации пестицидов [12], является сильным раздражителем слизистых оболочек глаз и слабым аллергеном. Показатель острой дермальной токсичности диквата дибромида (ЛД₅₀) для крыс составляет 400 мг/кг [2], что обуславливает опасность вещества для здоровья человека во время сельскохозяйственного применения. Для контроля безопасности растительной и сельскохозяйственной продукции установлены максимально допустимые уровни (МДУ) диквата в горохе и бобах сои – 0,2 мг/кг, в семенах подсолнечника – 0,5 мг/кг, в подсолнечном, соевом и рапсовом масле – 0,1 мг/кг, картофеле – 0,05 мг/кг, ВМДУ в семенах рапса – 2,0 мг/кг [3].

Цель настоящей работы состояла в изучении особенностей определения остаточных количеств диквата в растительной продукции и продуктах переработки для контроля гигиенической безопасности продукции в соответствии с  установленными гигиеническими нормативами с использованием ион-парной высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

Ранее для измерения уровней диквата дибромида в почве, клубнях картофеля, а также воде и молоке использовался спектрофотометрический метод. Метод основан на осаждении белков молока трихлоруксусной кислотой, извлечении диквата из фильтрата и воды с помощью катионита КУ-2, элюировании из катионита насыщенным водным раствором хлорида аммония и фотометрическом определении пестицида после восстановления гидросульфитом натрия. Этот метод обеспечивает  нижний предел определения вещества в пробе воды  и почвы – 0,02 мг/ дм³, в молоке, картофеле – 0,4 мг/дм³ [4], [5], [13].

Расширение сферы применения обусловило потребность в методах аналитического контроля для гороха, сои, рапса, подсолнечника.

Материалы и методы

Объекты исследования

В качестве объектов исследования использовали образцы картофеля, семян гороха, сои, рапса, подсолнечника, выращенных в различных регионах Российской Федерации  с применением  для целей десикации дикват – содержащих препаратов [1].

Использованы аналитический стандартный образец диквата дибромида с содержанием 50,9% катиона диквата (Sigma-A ld rich, № по каталогу 45422-250MG-R (N-118-16), вода дистиллированная по ГОСТ Р 58144-18, серная кислота по ГОСТ 4204-77, кислота соляная по ГОСТ 3118-77, гироокись натрия ГОСТ 4328-77, динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (Трилон Б) по ГОСТ 10652-73, диэтиламин по ГОСТ 9875-88 (свежеперегнанный), ацетонитрил, ортофосфорная кислота квалификациии для ВЭЖХ, октансульфонат натрия, изопропиловый спирт, хлорид натрия, хлорид аммония фирмы Panreac (Испания), метанол фирмы J.T. Baker (США), катионообменная смола Дауэкс 50 (50-100 меш) в Na форме фирмы Серва (Германия), картриджи для твердофазной экстракции с С18 Set Pak (фирмы Waters, №  по каталогу WAT 051910, США).

Основной раствор диквата дибромида с концентрацией диквата (катиона диквата) 100 мкг/см³ и раствор для внесения в модельные образцы картофеля, моркови, лука, гороха, семян рапса и подсолнечника с концентрацией 10 мкг/см³ были  приготовлены в насыщенном растворе хлорида аммония, для растительных масел- раствор для внесения 10 мкг/см³ был приготовлен на основе смеси 2,5 % раствора хлорида аммония и изопропанола в соотношении (1:9, объему). Рабочие растворы для калибровки с концентрациями диквата 0,05, 0,1, 0,25, 0,5 и 1,0 мкг/см³ были приготовлены в насыщенном растворе хлорида аммония. Растворы хранили при комнатной температуре в темноте в течение 12 месяцев.

Пробоподготовка образцов. Образцы измельченных проб картофеля массой 100 г; зерна гороха, семян рапса, сои, подсолнечника и растительных масел массой 50 г помещали в круглодонную колбу вместимостью 2000 см³ с добавлением 400- 450 см³ дионизованной воды. Осторожно приливали 15 см³ концентрированной серной кислоты и кипятили 5 часов, охлаждали (для растительных масел: охлажденный раствор переносили в делительную воронку объемом 1000 см³, нижний водный слой отделяли и переносили в химический стакан вместимостью 2000 см³), суспензию фильтровали через бумажный фильтр (в 2 слоя) на воронке Бюхнера под вакуумом с последующей промывкой осадка на фильтре дистиллированной водой дважды по 100 см³. Фильтрат (образцов растительной продукции и масла) переносили в химический стакан вместимостью 2 000 см³, добавляли твердый гидроксид натрия или 5% раствор этилендиаминтетрауксусной кислоты с контролем рН в диапазоне 6-7 с помощью индикаторной бумаги. Раствор снова фильтровали через бумажный фильтр «красная лента» на воронке Бюхнера, промывали 100 см³ дистиллированной воды, общий объем раствора доводили  до 1000 см³.

Далее проводили очистку экстракта на колонке с катионообменной смолой (длиной 25 см, внутренним диаметром 10 мм). Для облегчения введения пробы в колонку раствор охлаждали в холодильник, для поддержания необходимой скорости элюирования (5 см³/мин) использовали вакуум. После введения пробы колонку последовательно промывали 25 см³ воды, 50 см³ 2 н хлороводородной кислоты, 25 см³ воды, 100 см³ 2,5 % раствора хлорида аммония, 25 см³ воды. Дикват элюировали из колонки 50 см³ насыщенного раствора хлорида аммония со скоростью 1 см³/мин в мерную колбу вместимостью 50 см³.

Для дополнительной очистки проб (семян сои, рапса, подсолнечника, гороха, растительных масел) перед хроматографированием использовали  патроны для твердофазной экстракции С18 Set Pak, для этого аликвоту раствора  объемом 10 см³ (1/5 часть от 50 см³) пропускали через патрон со скоростью 10 см³/мин, при этом первые 5 см³ элюата отбрасывали, вторую порцию 5 см³ собирали в градуированную пробирку и анализировали [6], [7], [8].

Условия хроматографирования.

Измерение уровней диквата в образцах проведено с применением жидкостного хроматографа фирмы «Waters», модель «BRIZE» (США) с ультрафиолетовым детектором, рабочая длина волны 310 нм, колонка (длиной 250 мм, внутренним диаметром 2,1 мм), содержащая Spherisorb S5 ODS 2 (5 мкм), подвижная фаза: ацетонитрил – вода (19:81, по объему) + 0,1% (вес/объем) 1-октансульфоната натрия + 1,0% (по объему) диэтиламина + 1,0% (по объему) ортофосфорной кислоты, скорость потока 0,3 см³/мин. Ориентировочное время выхода диквата: 4,7 – 5,3 мин. Хроматографируемый объем – 20 мм³. Линейный диапазон детектирования 1 – 20 нг.

Результаты

Разработанные методики определения остаточных количеств диквата в картофеле, семенах гороха, рапса, сои и растительных маслах, несмотря на сложную и длительную пробоподготовку, основанную на горячей экстракции разбавленной серной кислотой с последующей очисткой и концентрированием вещества на колонке с катионообменной смолой и дополнительной очистке на картридже С18 Sep Pak, позволили получить надежные, воспроизводимые  результаты.

Линейная зависимость площади хроматографического пика (S, мВ*с) от концентрации диквата построенна в диапазоне концентраций 0,05-1,0 мкг/см³, выражается линейным уравнением S= 4,36*10⁵*С – 2,78*10³ (коэффициент корреляции 0,99955), соотношение сигнал-шум на пределе обнаружения 10:1. Для проверки эффекта матрицы проведен анализ холостых реагентных и матричных образцов, при времени удерживания диквата сигналы не отмечены.

Достигнутый нижний предел количественного определения остаточных количеств диквата в клубнях картофеля – 0,025 мг/кг, семенах сои, рапса, подсолнечника, горохе – 0,05 мг/кг, растительных маслах – 0,05 мг/кг. Пересчет действующего вещества проведен по дикват-иону.

Методы валидированы на определение остаточных количеств диквата в образцах семян и масла сои, рапса, подсолнечника, семян гороха в диапазоне концентраций: 0,05 – 1,0 мг/кг с внесением действующего вещества на уровне нижнего предела количественного определения (0,05 мг/кг) и 10-ти пределов количественного определения (0,5 мг/кг); для картофеля в диапазоне концентраций: 0,025 – 0,5 мг/кг с внесением действующего вещества на уровне нижнего предела количественного определения (0,025 мг/кг) и 10-ти пределов количественного определения (0,25 мг/кг).

По результатам валидации методик, выполненных в соответствии с рекомендациями международного документа [11] рассчитаны средние величины извлечения диквата из образцов: семян сои – 78 %; масла сои – 94%; семян рапса – 85 %; масла рапса – 91 %; семян подсолнечника – 82,5 %; масла подсолнечника – 87%; клубней картофеля – 97 %; гороха – 86 %, среднее квадратичное отклонение не превышает 20 %.

Исходя из физико-химических свойств диквата дибромида, в процессе пробоподготовки использована дистиллированная вода в больших количествах.  Применение катионообменной смолы в колоночной хроматографии способствует извлечению из воды диквата катионита, по которому ведется количественный расчет. Элюирование диквата с колонки осуществлено насыщенным раствором хлорида аммония, обладающего кислой реакцией.

Для идентификации диквата применена ион-парная хроматография, использование которой накладывает свои особенности на обращение с хроматографической колонкой. Рекомендуется ежедневно после завершения работы промывать колонку не менее 30 мин смесью растворителей, состоящей из метанола и воды в объемном соотношении 9:1, затем водой. Нежелательно оставлять на ночь в хроматографической системе подвижную фазу, содержащую комплекс ион-парных реагентов, ежедневно перед началом работы до анализа калибровочного стандарта ввести в инжектор насыщенный раствор хлорида аммония. Эту операцию необходимо проводить в течение рабочего дня после 5-ти вводов аналитических образцов или калибровочных растворов. После осуществления 5-6-ти вводов образцов нужно анализировать аналитический стандарт, для подтверждения того, что хроматографическая система находится в равновесии.

Обсуждение результатов

Надежность количественной оценки содержания остаточных количеств  пестицидов в сложных матрицах, к которым относятся пищевые продукты, зависит от обоснованной и адекватной пробоподготовки. Использование ионообменной колоночной хроматографии извлечения диквата из первичного экстракта (разбавленной серной кислотой) и дополнительной очистке экстракта отдельных матриц с применением для  твердофазной экстракции патронов С18 Set Pak.

Существующий современный подход для извлечения пестицидов по технологии  QuECnERS, обладающей рядом преемуществ: быстрота, простота, дешевизна, эффективность, надежность, безопасность [10] не может быть испольозован при определении остаточных количеств высокополярного соединения катиона дипиридилия, так как вещество практически не растворимо в ацетонитриле, устойчиво связывается с матрицей, тем самым препятствуя извлечению в нейтральной среде.

Разработанные методы были использованы при изучении динамики разложения диквата дибромида в образцах картофеля, зерна гороха, семян рапса, сои, подсолнечника, а также продуктах переработки продукции – растительных маслах при применении препаратов в качестве десикантов. В регламентируемые сроки отбора продукции (срок ожидания 7 – 12 дней после применения препаратов [1])  остаточные количества диквата не превыщали установленные величины МДУ для изучаемых культур, соответствовали показателям безопасности.

Выводы

1. Для получения достоверных результатов определения остаточных количеств диквата (в виде диквата дибромида) в растительной продукции и продуктах ее переработки использованы аналитически обоснованные приемы пробоподготовки и количественной идентификации.
2. Нижние пределы количественного определения диквата в клубнях картофеля, семенах сои, рапса, подсолнечника, горохе, растительных маслах соответствуют установленным величинам МДУ в исследуемых продуктах, полнота извлечения варьируется по матрицам в диапазоне 78 – 97 %.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.