Policiklusos aromás szénhidrogének Nyiri Zoltán

1

1

1

1

1

2

2

Hogy jön ez ide? A húskészítmények lehetnek rákkeltők az alapanyagaiknál fogva Adalékanyagok Hús biológiai összetétele miatt Húsban toxikus vegyületek bioakkumulációja Vagy az alkalmazott gyártási eljárások miatt Sütés Füstölés Grillezés 3

Hogy jön ez ide? A húskészítmények lehetnek rákkeltők az alapanyagaiknál fogva Adalékanyagok Hús biológiai összetétele miatt Húsban toxikus vegyületek bioakkumulációja Vagy az alkalmazott gyártási eljárások miatt Sütés Füstölés Grillezés 3

Mik azok a policiklusos aromás szénhidrogének? Angolul Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Kiterjedt delokalizált elektron- rendszerrel rendelkező Ezért nagy stabilitású Apoláros jellegű Polikondenzált vegyületek Gyűrű tagszámától függő fizikai- kémiai tulajdonságok 4 naftalin (legegyszerűbb PAH)

Néhány PAH 5

Fizikai-kémiai tulajdonságok Vízoldékonyság 19 mg/L0,044 mg/L---- Illékonyság Forráspont 218°C 340°C 450°C 495°C 6

PAH származékok Légköri reakcióban a PAH-ok módosulhatnak Nitro-PAH-ok jönnek létre reaktív ·NO 3 gyökkel való reakcióban Oxo-PAH-ok jönnek létre reaktív ·OH gyökökkel való reakcióban 7

Miért érdekesek a PAH-ok? 8

8 = Benzo(a)pirén [nem szériatartozék DNS esetén]

Mechanizmus 9 ez az epoxid rész teszi lehetővé a beépülést

A benzo(a)pirén és még számos PAH bizonyítottan mutagén hatású vegyület. A többi PAH-ról (és származékról) pedig feltételezik, de még nem bizonyított, hogy: Mutagén Karcinogén Teratogén További probléma, hogy a PAH-ok Zsíroldékonyak, tehát felhalmozód(hat)nak Rendkívül stabilak (a legtöbb környezeti hatásra érzéketlen (oxigén, fény, stb.) 10 Élettani hatás

Keletkezés Elsősorban antropogén forrásokból keletkeznek PAH-ok Tökéletlen égés Gázolaj-felhasználás Ipari tevékenység Füstölés, hőkezelés, sütés Természetes források Erdőtüzek Vulkáni tevékenység 11

Előfordulás Szinte mindenütt jelen vannak a PAH-ok („ubiquitous”) Talaj Víz (felszíni vizek, szennyvíz, stb.) Levegő (aeroszolok) Élő szervezet (növények talajból, majd bioakkumuláció) Kőolaj, kátrány 12

Előfordulás Összefoglalva 13

Előfordulás Összefoglalva 13 De lépjünk még pár lépést hátra…

Előfordulás Így már OK! 14 FUN FACT: A világegyetem szénkészletének 20%-a PAH. (forrás: NASA, ?

Számos törvényhozó és egészségügyi szervezet foglalkozik PAH-ok egészségügyi besorolásával és határértékeinek megállapításával Európai Bizottság (EC vagy EU) European Environment Agency (EEA) US Environmental Protection Agency (US EPA) Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) International Agency for Research on Cancer (IARC) World Health Organization (WHO) 15 Szabályozás

Ahány szervezet, annyiféle ajánlás és határérték… Felszíni vizek Magyarországon jelenleg a 10/2010. (VIII. 18.) VM rendelet hatályos (a megfelelő EU rendelettel harmonizálva) 0,002 – 0,1 μg/L közötti határértékek 7 PAH-ra (éves átlagérték) 0,1 μg/L maximálisan megengedhető koncentráció benzo(a)pirénre 16 Szabályozás

Élelmiszerek A 835/2011/EU rendelet hatályban Benzo(a)pirént, benzo(a)antracént, benzo(b)fluorantént és krizént szabályoz (csak) 1 – 35 μg/kg közti határértékek Olajok, zsírok Kakaóbab és abból származó termékek Füstölt húsok, húskészítmények Füstölt halak, tengeri herkentyűk Anyatej-kiegészítő és helyettesítő tápszerek Csecsemők számára készült gabonaalapú bébiételek 17 Szabályozás FUN FACT: Külön rendelet foglalkozik a füstöléshez használt füst (aroma) határértékeivel (köztük a PAH-okkal is) (2065/2003/EC rendelet) ?

Élelmiszerek A 835/2011/EU rendelet hatályban Benzo(a)pirént, benzo(a)antracént, benzo(b)fluorantént és krizént szabályoz (csak) 1 – 35 μg/kg közti határértékek Olajok, zsírok Kakaóbab és abból származó termékek Füstölt húsok, húskészítmények Füstölt halak, tengeri herkentyűk Anyatej-kiegészítő és helyettesítő tápszerek Csecsemők számára készült gabonaalapú bébiételek 17 Szabályozás FUN FACT: Külön rendelet foglalkozik a füstöléshez használt füst (aroma) határértékeivel (köztük a PAH-okkal is) (2065/2003/EC rendelet) ?

Levegő (aeroszol) Ez a legtrükkösebb, mert ameddig egy termék legfeljebb nem megy ki a polcra, levegőre mindig szükség van A real-time on-line mérés pedig egyelőre nem megoldott Európai Környezetvédelmi Ügynökség: < 1 ng/m 3 B(a)P Egyéb Használati eszközök műanyag részei és gumiabroncsok 1272/2013/EC - < 1 mg/kg 8 PAH-ra 18 Szabályozás „Sport equipment such as bicycles, golf clubs, racquets Household utensils, trolleys, walking frames Tools for domestic use Clothing, footwear, gloves and sportswear Watch-straps, wrist-bands, masks, head-bands Toys, including activity toys, and childcare articles”

A PAH-ok fizikia-kémiai tulajdonságainak és előfordulásuk változatosságának köszönhetően a kromatográfia egyik állatorvosi lova 19 Mivel és hogyan mérjünk? PAH+chromatography: találat (PAH: találat)

A leggyakrabban alkalmazott kromatográfiás (kapcsolt) technikák alkalmasak PAH-ok meghatározására GC-FID GC-MS(/MS) LC-UV LC-FLD LC-MS(/MS) Az alkalmazandó technika függ a Minta típusától, összetettségétől (szelektivitás) Minta-előkészítéstől Várható koncentrációtól (érzékenység) 20 Kromatográfia

Alapvető kihívás: rengeteg szerkezeti izomer Kromatográfiás elválasztás problémás A detektorok sem tudnak különbséget tenni az izomerek közt (azonos hullámhosszak, ion-fragmensek) 21 Kromatográfia Benzo(b)fluorantén Benzo(k)fluoranténBenzo(j)fluorantén M = 252 g/mol Benzo(a)antracén Krizén M = 228 g/mol M = 223 g/mol 2-nitro-, 9-nitro-antracén 3-nitro-, 9-nitro-fenantrén

Különböző módon próbálkozhatunk izomer PAH-ok elválasztásával Hagyományos (általános felhasználású) oszlopokon Megfelelő szelektivitású rendszerrel Eluens szelektivitása (LC) Állófázis szelektivitása (minőség) (GC & LC) Nagy felbontás elérésével A HETP minimumon mérés Izokratikus/izoterm lépcsők, de legalább lassú gradiens Hosszabb oszlop alkalmazásával Speciálisan PAH-ok mérésre szánt oszlopok alkalmazása Restek Rxi-PAH (GC) Agilent J&W Select PAH (GC) Waters PAH C18 (LC) 22 Kromatográfia

Különböző módon próbálkozhatunk izomer PAH-ok elválasztásával Hagyományos (általános felhasználású) oszlopokon Nagy felbontás elérésével A HETP minimumon mérés Izokratikus (LC)/izoterm (GC) lépcsők Megfelelő szelektivitású rendszerrel Eluens szelektivitása (LC) Állófázis szelektivitása (GC & LC) Speciálisan PAH-ok mérésre szánt oszlopok alkalmazása Restek RXI-PAH (GC) Agilent J&W Select PAH (GC) Waters PAH C18 (LC) 22 Kromatográfia Waters CSH Phenyl-Hexyl (50 mm x 2,1 mm, 1,7 um) Perc%A%B

23 Kromatográfia Restek Rxi-PAH (60 m x 0,25 mm x 0,1 um)

23 Kromatográfia Restek Rxi-PAH (60 m x 0,25 mm x 0,1 um) Benzo[b]fluorantén Benzo[k]fluorantén Benzo[j]fluorantén Benzo[a]antracén Ciklopenta[cd]pirén Krizén

24 Kromatográfia Rxi-PAH (60 m x 0,25 mm x 0,1 um) Benzo[b]fluorantén Benzo[k]fluorantén Benzo[j]fluorantén Rxi-5MS (30 m x 0,25 mm x 0,25 um) Benzo[b]fluorantén Benzo[k]fluorantén

Kromatográfia 24

A lassú gradiensnek / izokratikus / izoterm mérésnek ára van Hosszú mérések Az idő pénz, ahogy az oldószer és a vivőgáz is A gradiens csökkenésével szélesedő csúcsok Emiatt magasabb LOD/LOQ Robusztusság csökkenése A felbontás látványosan csökken, ha a rendszer nincs tökéletes állapotban 25 Kromatográfia

Lángizonizációs detektor (FID) Érzékenység Hidrogén vivőgáz (HETP!)  A C-H kötést tartalmazó molekulák köre túl nagy, nincs kiemelt szelektivitása a PAH-okra  Minőségi azonosítás csak retenciós idők (és standard) alapján  Bonyolult mátrixból problémás kiértékelés (sok csúcs, a retenciós idő is megcsúszhat) 26 Detektálás - GC

EI tömegspektrométer (MS) Szelektív (izomerek közt nem!) Ezért bonyolult mátrixra is OK Minőségi azonosítás MS/MS  Nitro-PAH-okra nem jó (kémiai ionizáció kell)  Vonalszegény PAH spektrumok (nehéz szétbombázni őket) Elektronbefogásos detektor (ECD) Nitro-PAH-okra szelektív  A többire használhatatlan 27 Detektálás - GC

Fluoreszcens detektor (FLD) Érzékenység (konjugált aromás rendszer remekül gerjeszthető) Szelektivitás UV/VIS detektor Semmi kimondottan előnyös tulajdonsága nincs  Nem specifikus  254 nm-en lehet mérni, ott gyakorlatilag meg majdnem minden elnyel már  Rossz érzékenység 28 Detektálás - LC

Tömegspektrometria Szelektív Ezért bonyolult mátrixra is OK Minőségi azonosítás MS/MS  Elképesztően nehéz ionizálni a PAH- okat LC-s ionforrással  Nincs hova töltést felvinni vagy leszedni  ESI és APCI szóba sem jöhet (kivétel: nitro-PAH), APPI mérsékelten használható 29 Detektálás - LC

Tömegspektrometria Szelektív Ezért bonyolult mátrixra is OK Minőségi azonosítás MS/MS  Elképesztően nehéz ionizálni a PAH- okat LC-s ionforrással  Nincs hova töltést felvinni vagy leszedni  ESI és APCI szóba sem jöhet (kivétel: nitro-PAH), APPI mérsékelten használható 30 Detektálás - LC ESI APCI APPI

Sokszínű a paletta, alapvetően a legtöbb minta- előkészítési eljárás alkalmas lehet PAH-ok izolálására Folyadék-folyadék extrakció (ultrahanggal vagy mikrohullámmal támogatva is) Soxhlet extrakció Szilárdfázisú extrakció Szilárdfázisú mikro-extrakció (SPME) Head-space (SPME-vel) Szuperkritikus fluid extrakció (SFE) Accelerated Solvent Extraction (ASE) Ultrahanggal támogatott emulziós mikro-extrakció Multiwalled carbon nanotube-magnetic carbon particles (MWCNT-MNP) 31 Minta-előkészítés

Egyszerű, de drága és nem automatizálható Hatékonysága függ a megoszlási hányadostól PAH-ok logP értéke ~4-6 (5-6 gyűrűig) Könnyen szerves fázisba vihetők vízből 32 Folyadék-folyadék extrakció Ez a legegyszerűbb eljárás, általában a minta- előkészítési lépés legelejére van beiktatva

Milyen mintákhoz előnyös? Víz (felszíni víz, folyóvíz, stb.) Zöldségek, gyümölcsök, gyümölcslevek Égetett szeszek Vizelet Milyen mintákhoz nem előnyös? Bármilyen szilárd minta szerves extraktumához Ha még találunk is olyan szerves oldószer párt, ami nem elegyedik egymással (metanol-hexán pl.), a PAH-ok megoszlása akkor sem lesz előnyös Az egyensúly eltolható víz hozzáadásával… 33 Folyadék-folyadék extrakció

34 Emulziós mikro-extrakció Az LLE egyik alfaja, a megoszlás elve ugyanaz, a kivitelezésben van a különbség Rázótölcsér helyett elég egy centrifugacső, a több 10 mL oldószer helyett pár mL Ultrahang

34 Emulziós mikro-extrakció Az LLE egyik alfaja, a megoszlás elve ugyanaz, a kivitelezésben van a különbség Rázótölcsér helyett elég egy centrifugacső, a több 10 mL oldószer helyett pár mL Ultrahang

34 Emulziós mikro-extrakció Az LLE egyik alfaja, a megoszlás elve ugyanaz, a kivitelezésben van a különbség Rázótölcsér helyett elég egy centrifugacső, a több 10 mL oldószer helyett pár mL Ultrahang 5 mL rövidital 40 uL CCl 4 5 perc ultrahang

Kimerítő extrakciót tesz lehetővé, de Hosszadalmas Nem automatizálható A legtöbb szilárd mintára alkalmazható Tisztítási lépés szükséges utána Milyen mintákhoz előnyös? Élelmiszerek (húsok, halak) Aeroszol Milyen mintákhoz nem előnyös? Folyadékok 35 Soxhlet extrakció

A legtágabb lehetőségekkel bíró előkészítési lépés Kiváló lehetőség dúsításra Hatalmas töltetkínálat Eluensekkel is nagy variabilitás 36 Szilárdfázisú extrakció

Ha oxo- és nitro-PAH-okat is mérnek, általában SPE-n szokták frakcionálni a vegyületcsaládokat A legtágabb lehetőségekkel bíró előkészítési lépés Kiváló lehetőség dúsításra Hatalmas töltetkínálat Eluensekkel is nagy variabilitás A PAH-ok esetén szinte csak normál fázisú SPE-t alkalmaznak (SiOH, Al 2 O 3 ) 36 Szilárdfázisú extrakció

Ha oxo- és nitro-PAH-okat is mérnek, általában SPE-n szokták frakcionálni a vegyületcsaládokat A legtágabb lehetőségekkel bíró előkészítési lépés Kiváló lehetőség dúsításra Hatalmas töltetkínálat Eluensekkel is nagy variabilitás A PAH-ok esetén szinte csak normál fázisú SPE-t alkalmaznak (SiOH, Al 2 O 3 ) 36 Szilárdfázisú extrakció R.E. Cochran, Analytica Chimica Acta 740 (2012) 93– 103

Az SPE-t természetesen nem kezdőlépésként alkalmazzák Megelőzi egy extrakció (LLE, Soxhlet…) Nagy előny, hogy az irodalomban számos módszer áll rendelkezésre 37 Szilárdfázisú extrakció

Az SPE-t természetesen nem kezdőlépésként alkalmazzák Megelőzi egy extrakció (LLE, Soxhlet…) Nagy előny, hogy az irodalomban számos módszer áll rendelkezésre 38 Szilárdfázisú extrakció

Az SPE-t természetesen nem kezdőlépésként alkalmazzák Megelőzi egy extrakció (LLE, Soxhlet…) Nagy előny, hogy az irodalomban számos módszer áll rendelkezésre 38 Szilárdfázisú extrakció

Az SPE-t természetesen nem kezdőlépésként alkalmazzák Megelőzi egy extrakció (LLE, Soxhlet…) Nagy előny, hogy az irodalomban számos módszer áll rendelkezésre 38 Szilárdfázisú extrakció

Az SPE-t természetesen nem kezdőlépésként alkalmazzák Megelőzi egy extrakció (LLE, Soxhlet…) Nagy előny, hogy az irodalomban számos módszer áll rendelkezésre 38 Szilárdfázisú extrakció

PAH-ok körében csak kis mértékben elterjedt eljárás Head-space csak a kis molekulatömegű (2-3 gyűrűs) PAH-okra működik Továbbá csak vizes közegből használható praktikusan Immerziós SPME-nél pedig a SPME fej kapacitása a probléma (a PDMS nem PAH-szelektív, más apoláros molekulák is abszorbeálódnak) 39 Szilárdfázisú mikro-extrakció Két alkalmazási lehetőség Immerziós SPME Head-space SPME Előnyös, mert gyors minta- előkészítést tesz lehetővé, de:

PAH-ok körében csak kis mértékben elterjedt eljárás Head-space csak a kis molekulatömegű (2-3 gyűrűs) PAH-okra működik Továbbá csak vizes közegből használható praktikusan Immerziós SPME-nél pedig a SPME fej kapacitása a probléma (a PDMS nem PAH-szelektív, más apoláros molekulák is abszorbeálódnak) 39 Szilárdfázisú mikro-extrakció Két alkalmazási lehetőség Immerziós SPME Head-space SPME Előnyös, mert gyors minta- előkészítést tesz lehetővé, de:

PAH-ok körében csak kis mértékben elterjedt eljárás Head-space csak a kis molekulatömegű (2-3 gyűrűs) PAH-okra működik Továbbá csak vizes közegből használható praktikusan Immerziós SPME-nél pedig a SPME fej kapacitása a probléma (a PDMS nem PAH-szelektív, más apoláros molekulák is abszorbeálódnak) 39 Szilárdfázisú mikro-extrakció Két alkalmazási lehetőség Immerziós SPME Head-space SPME Előnyös, mert gyors minta- előkészítést tesz lehetővé, de:

PAH-ok körében csak kis mértékben elterjedt eljárás Head-space csak a kis molekulatömegű (2-3 gyűrűs) PAH-okra működik Továbbá csak vizes közegből használható praktikusan Immerziós SPME-nél pedig a SPME fej kapacitása a probléma (a PDMS nem PAH-szelektív, más apoláros molekulák is abszorbeálódnak) Szilárdfázisú mikro-extrakció Két alkalmazási lehetőség Immerziós SPME Head-space SPME Előnyös, mert gyors minta- előkészítést tesz lehetővé, de: 39

A szuperkritikus CO 2 tulajdonságai merőben eltérőek a hagyományos oldószerektől  más szelektivitás A szelektivitás szerves módosítóval (pl. metanol) tovább változtatható 40 Szuperkritikus fluid extrakció

Környezetbarát, hatékony technika Ennek ellenére nem gyakori Beszerzési költség magas (v.ö. rázótölcsér) Szakértelmet igényel Milyen mintákhoz előnyös? Aeroszol Talaj Étolaj 41 Szuperkritikus fluid extrakció FUN FACT: A képen látható készülék (ISCO SFX 3560) Ebay-en Ft-ért szerezhető be, használtan. ?

Környezetbarát, hatékony technika Ennek ellenére nem gyakori Beszerzési költség magas (v.ö. rázótölcsér) Szakértelmet igényel Milyen mintákhoz előnyös? Aeroszol Talaj Étolaj 41 Szuperkritikus fluid extrakció FUN FACT: A képen látható készülék (ISCO SFX 3560) Ebay-en Ft-ért szerezhető be, használtan. ?

Környezetbarát, hatékony technika Ennek ellenére nem gyakori Beszerzési költség magas (v.ö. rázótölcsér) Szakértelmet igényel Milyen mintákhoz előnyös? Aeroszol Talaj Étolaj 41 Szuperkritikus fluid extrakció FUN FACT: A képen látható készülék (ISCO SFX 3560) Ebay-en Ft-ért szerezhető be, használtan. ?

Környezetbarát, hatékony technika Ennek ellenére nem gyakori Beszerzési költség magas (v.ö. rázótölcsér) Szakértelmet igényel Milyen mintákhoz előnyös? Aeroszol Talaj Étolaj Szuperkritikus fluid extrakció FUN FACT: A képen látható készülék (ISCO SFX 3560) Ebay-en Ft-ért szerezhető be, használtan. ? 41

Az abszolút érdekesség kategória (pár évig még) A képen látható szerkezetet még borítják mágneses anyaggal 42 Multiwalled carbon nanotube - magnetic carbon particles Transzmissziós elektron mikroszkópos kép 700°C ‑ n bomló acetilénből keletkező nanocsövekről Synthesis of single- andmulti-wall carbon nanotubes over supported catalysts, Fonseca et. al., Appl. Phys. A 67, 11–22 (1998)

Az abszolút érdekesség kategória (pár évig még) A képen látható szerkezetet még borítják mágneses anyaggal Minta-előkészítés menete: Minta feltárása (vizes oldat) Adszorbens hozzáadása, vortex Adszorbens kiszedése mágnessel Leoldás szerves oldószerrel 43 Multiwalled carbon nanotube - magnetic carbon particles

Az abszolút érdekesség kategória (pár évig még) A képen látható szerkezetet még borítják mágneses anyaggal Minta-előkészítés menete: Minta feltárása (vizes oldat) Adszorbens hozzáadása, vortex Adszorbens kiszedése mágnessel Leoldás szerves oldószerrel 43 Multiwalled carbon nanotube - magnetic carbon particles

Review-k Contamination of meat products during smoking by polycyclic aromatic hydrocarbons: Processes and prevention, Ledesma et. al, Food Control 60 (2016) Polycyclic aromatic hydrocarbons in food and beverages. Analytical methods and trends, Plaza- Bolanos et. al., Journal of Chromatography A, 1217 (2010) Egészségügyi jelentések ATSDR: Case Studies in Environmental Medicine: Toxicity of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) WHO Guidelines for Indoor Air Quality: Selected Pollutants 44 Hasznos források

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! 45