XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение опасных для здоровья и жизни веществ, содержащихся в электронных сигаретах методом ГЖХ-МС
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Курение - социальная проблема общества, как для курящей, так и для некурящей его части. Для первой – проблема бросить курить, для второй – избежать влияния курящего общества и не «заразиться» их привычкой, тем самым сохранить свое здоровье.
Пагубная привычка убивает каждого десятого человека в мире, и при сохранении нынешней структуры потребления табака около 500 миллионов живущих в настоящее время людей могут в конечном итоге погибнуть. Более половины этого числа – подростки и дети.
По данным Всемирной организации здравоохранения каждый год в мире от курения умирает 5,4 миллиона человек. К 2030 году эта цифра превысит 8 миллионов смертей, причем более 80% ассоциированных с табаком смертей произойдут в развивающихся странах. В XX веке табачная эпидемия убила 100 миллионов человек, а в течение XXI века она убьет 1 биллион человек.
Систематическое поглощение небольших доз никотина вызывает привычку, пристрастие к курению. Каждая выкуренная сигарета сокращает жизнь человека на 14 минут.
Специалистами подсчитано, что 1 - 2 пачки сигарет содержат смертельную дозу никотина. Курильщика спасает только то, что эта доза вводится в организм постепенно и часть никотина нейтрализует формальдегид - другой яд, содержащийся в табаке.
В состав табачного дыма входит около 3000 химических веществ, способных повреждать живые ткани. Особо следует отметить: табачный деготь, который образуют смолы и родственные им соединения; никотин; высокотоксичные соединения и газы: окись углерода, аммиак, синильная кислота; окиси азота и другие.
Курение сокращает ожидаемую продолжительность жизни на 5-7 лет по сравнению с некурящими людьми, меняет цвет лица, способствует преждевременному появлению морщин. У курильщика желтеют зубы, изо рта появляется неприятный запах, грубеет голос. От вещей курящего человека постоянно пахнет табаком.
Наиболее заядлые курильщики, как правило, умирают от болезней, провоцируемых курением.
На смену обычным сигаретам пришли электронные.
Это не курение, а парение. Так говорят пользователи электронных сигарет и вейпов, выдыхая облака пара с ароматом вишни, мяты, шоколада или леденца. Это совсем не похоже на отвратительный запах табачного дыма. Так курение это или нет? Разбираемся.
Вейпинг, его ещё называют парение, все более популярен среди взрослых и подростков. В 2020 году использование электронных сигарет среди школьников почти удвоилось. До появления электронных сигарет и вейпов, распространённость курения среди молодёжи неуклонно сокращалось последние 20 лет. Позиционирование гаджетов для курения как безопасной замены традиционных сигарет, помогло росту их популярности.
Что такое электронная сигарета ?
Так называют устройства, которые генерируют аэрозоль, содержащий в том числе никотин и ароматизаторы. В большинстве из них есть аккумулятор, нагревательный элемент и место для специальной жидкости или солей никотина. Ароматизаторы, которые делают электронные сигареты такими привлекательными, могут оказывать токсическое действие, хотя, они обычно считаются безопасными при проглатывании.
Почему они популярны ?
Новый формат курения часто выбирают подростки и молодые люди, во многом благодаря дизайну, компактным размерам и форме, которая упрощает сокрытие гаджета.
Многообразие ароматов и сладкий вкус, которые нравятся тем, кто не переносит запах и вкус табачного дыма. Нет обильных облаков резко пахнущего дыма, это позволяет скрыть сам факт курения.
В капсулах для заправки электронных сигарет содержится столько же никотина, сколько в пачке из 20 обычных сигарет. В среднем, одна электронная сигарета выдерживает около 200 затяжек.
В зоне риска те, кто рядом
Многие убеждены, что электронные сигареты можно использовать везде, даже в местах, где курение запрещено. Их аргумент: ведь это просто безвредный пар, как из чайника, он никому не помешает, это же не табачный дым. Но это не так!
Помимо воды в жидкости для электронных сигарет есть ещё много опасных токсических веществ, возможно не заявленных производителем на упаковке.
А так же есть ряд токсичных веществ, которые образуются в ходе нагревания в процессе использования электронного гаджета.
Целью данной работы является:
Определение опасных для здоровья и жизни веществ, содержащихся в электронных сигаретах методом ГЖХ-МС.
Задачи:
Изучить теоретический материал о составе электронных сигарет.
Разработать методику определения химических веществ в электронных сигаретах методом ГЖХ-МС.
Проанализировать найденные химические соединения и оценить их вред здоровью.
Литературный обзор
Обзор электронных сигарет.
1. IQOS
IQOS (произносится как «а́йкос») — система нагревания.
IQOS представляет собой систему нагревания табака, которая состоит из курительной трубки (держателя) с батарейным питанием и зарядного устройства. Держатель оснащён маленьким аккумулятором, заряда которого хватает на один или несколько сеансов использования. Во время затяжки температура нагрева достигает 350 ° C, чего достаточно для выделения никотина и пиролиза табака. Внешне они напоминают укороченные сигареты (45 мм), но пропитаны пропиленгликолем. Внутри стик разделён на четыре части: продольноориентированый восстановленный табак (12мм), полая трубка из спрессованного ацетатного волокна (8 мм), фильтр из прозрачной плёнки (18мм), фильтрующий мундштук (7 мм).
Табак, используемый IQOS представляет собой уплотнённую смесь из табачного порошка (тип восстановленного табака). Процесс его формации получил название «гофрирование».
Помимо табака стики содержат глицерин, воду, гуаровую камедь, целлюлозу и пропиленгликоль.
2. HQD
Hqd является электронной одноразовой сигаретой. За основу взята технология испарения жидкости путем ее нагревания, в состав которой входит: жидкость из пищевых глицерина и пропиленгликоля, пищевые ароматизаторы, солевой никотин.
3.ВЭЙП
Электронное устройство с баком, оснащенным резервуаром для жидкости, которую приходится периодически заполнять. Жидкость в основном состоит из пропиленгликоля и глицерина. Количество их в жижке может быть разным.
Производители утверждают, что в сигаретах используется совершенно безопасное вещество, аналогичное чистому водяному пару. Но это не так. Попробуем выяснить, чем вреден вейп для здоровья человека, изучив его состав.
По всей вышеуказанной информации абсолютно во всех исследуемых образцах присутствуют химические соединения: пропиленгликоль, глицерин, никотин и ароматизаторы.
Пропиленгликоль.
Пропиленгликоль (Propylene Glycol или 1,2-propanediol) – это бесцветная прозрачная вязкая жидкость со слабо сладким вкусом, которую получают химическим путем из продуктов нефтепереработки.
Ежедневное воздействие большого количества PG в течение нескольких месяцев может привести к почечной недостаточности или молочнокислому ацидозу. Последний фактически вызывается избытком молочной кислоты (продукта метаболизма) в организме, что приводит к нарушению кислотно-основного баланса. Симптомы, связанные с молочнокислым ацидозом, не являются специфическими и в основном характеризуются диффузной болью в груди или животе, тошнотой или проблемами с дыханием. Кроме того, некоторые люди склонны к побочным эффектам. Заболевания печени или специфическое лечение (лекарственный препарат на субстрате PG), по-видимому, усиливают накопление PG и, следовательно, молочной и пировиноградной кислоты.
Передозировка также может привести к осмотической дерегуляции (обезвоживание клеток) и вызвать сердечную токсичность.
Можно сделать ряд предположений о роли PG: поскольку он является легким раздражителем, он может способствовать возникновению ощущения сжатия.
Следует отметить, что в случае интенсивного парения, связанного с высоким потреблением PG, гигроскопичность PG может вызвать проблемы обезвоживания, такие как сухость слизистой оболочки или ощущение сухости во рту.
Глицерин.
Глицери́н (от греч. γλυκερός — сладкий) — органическое соединение, простейший представитель трёхатомных спиртов с формулой C3H5(OH)3.
Представляет собой вязкую прозрачную жидкость со сладким вкусом.
Глицерин впервые был получен в 1779 году Карлом Вильгельмом Шееле при омылении жиров в присутствии оксидов свинца. Основную массу глицерина получают как побочный продукт при омылении жиров.
С другой стороны: глицерин используют в лакокрасочной промышленности. А еще в сельском хозяйстве, в производстве моющих средств и табачных изделий.
Глицерин является важным предшественником для синтеза липидов и для образования липотейхоевых кислот во многих грамположительных бактериях. Хорошо известна роль глицерина во внутриклеточном росте патогенных бактерий. Биопленки ответственны за развитие гингивита и пародонтоза, из-за чего у здоровых людей, пользующихся электронными сигаретами, наблюдаются симптомы этих заболеваний.
Никотин.
Никоти́н (от лат. Nicotiána — табак) — алкалоид пиридинового ряда.
Никотин разрушает деятельность нервной системы, сердца, легких, печени, органов пищеварения, половых желез. Он вызывает резкий спазм сосудов, в результате чего наступают различные мозговые расстройства. Никотин влияет, на деятельность органов чувств, понижает остроту зрения и слуха, притупляет обоняние и вкус.
Все эти вещества опасны. Но самую большую опасность для здоровья представляет их смесь! При нагревании этой смеси могут произойти химические реакции, которые приведут к образованию новых химических соединений, которые не заявлены производителем. А так же недобросовестные производители могут использовать некачественные продукты, которые при нагревании тоже могут трансформироваться.
Масс-спектрометрия – это самый мощный информативный метод исследования структуры органических соединений и химического анализа сложных веществ и их смесей. Этот метод позволяет определять молекулярную массу, элементный состав молекул и их фрагментов, их связь между собой и взаимное расположение. В масс-спектрометрическом эксперименте изучаются процессы передачи энергии при взаимодействии молекул с электронами и ионами, перегруппировки атомов в образующихся ионах и влияние определенных функциональных и структурных групп на процессы ионизациии фрагментации .
Благодаря масс-спектрометрии возможно исследование механизма ионных реакций. Ионные реакции играют большую роль в органической химии. Таким образом, развитие масс-спектрометрии шло по пути поиска новых способов ионизации термолабильных, высокополярных координационных соединений и органических солей, а также совершенствования техники установления структуры ионов .
ГХ-МС определяет вещества по газохроматографическим индексам удерживания и масс-спектрам. Вещества с перекрывающимися хроматографическими пиками различают по их масс-спектрам. Изомеры с аналогичными масс-спектрами распознают по индексам удерживания. Методом ГХ-МС определяются низкомолекулярные и термически стойкие аналиты, несущественно распадающиеся при нагреве в инжекторе хроматографа и обладающие средней или низкой полярностью
Принципиальная схема ГХ–МС.
Для того чтобы получить масс-спектр необходимо ввести образец в источник ионов, молекулы образца переходят в заряженную форму, далее происходит разделение этих ионов по массам и регистрация этих масс и интенсивностей. С полученным масс-спектром можно провести любые операции, например, провести вычитание или усреднение спектров, сравнение с библиотекой масс-спектров. Схема масс спектрометра представлена на рисунке( Блок схема масс-спектрометра).
Метод ионизации электронным ударом часто применяемым в масс-спектрометрии. Молекулы в газовой фазе бомбардируются пучком электронов. Пучок электронов генерируется катодом и ускоряется потенциалом 12-70 В по направлению к аноду. Вещество в газовой фазе взаимодействует с электронами и ионизируется. Принципиальная схема источника ионизации электронами представлена на рисунке. Катод изготавливается, как правило, из раниевой или вольфрамовой проволоки. Ионизация происходит в вакууме (10–5-10–7 мм.рт.ст.). Величина энергии ионизации для большинства органических соединений равна 6-12 эВ. Эффективность ионизации растет с увеличением энергии ионизирующих электронов, достигая максимума при 30-40 эВ, затем медленно спадает.
Схема источника ионизации электронами.
В результате процесса ионизации образуется молекулярный ион [M]+•, нечетноэлектронный ион, т.е катион-радикал.
Энергия электронов в масс-спектрометрах обычно составляет 70эВ, именно такая энергия дает возможность получить стабильные спектры. Благодаря воздействию ионизирующих электронов молекулы приобретают избыточную энергию, в диапазоне 0-20 эВ, которая вызывает разложение молекулярного иона [M]+•с образованием осколочных (фрагментных) и перегруппировочных ионов, характеризующих структуру изучаемого вещества. Также наряду с осколочными и перегруппировочными ионами при ионизации образуются двух- и многозарядные ионы, масс-спектры которых показывают последовательность фрагментации каждого иона.
После ионизации молекул наступает процесс разделения ионов и регистрация масс-спектра. Магнитный секторный анализатор был самым первыми анализатором, который использовался для разделения ионов. Недостатками современных магнитных масс-анализаторов являются большие размеры и высокая стоимость. Квадрупольный анализатор, или как часто его называют, квадрупольный фильтр масс появился в конце 1960-х годов. Он состоит из четырех параллельных стержней круглого или гиперболического сечения. Квадрупольный анализатор представлен на рисунке.
Схема квадрупольного анализатора.
Завершающим звеном получения масс-спектра является процесс детектирования ионов. В качестве детектора ионов, обычно, применяются вторично-электронные умножители. Ионы, попадая на первый динод (конверсионный), выбивают с его поверхности электроны. Далее эти электроны ускоряются под воздействием электрического поля и сталкиваются со следующим динодом с энергией достаточной, чтобы выбить с его поверхности больше чем один электрон. Затем новое поколение вторичных электронов ускоряется до столкновения со следующим динодом. Такой процесс повторяется несколько раз, таким образом, количество электронов возрастает лавинообразно. На последнем диноде может быть зарегистрирован ток, в миллионы раз превышающий начальный ток ионов, пришедший на вход вторично-электронного умножителя. Схема вторичного электронного умножителя представлена на рисунке.
Схема вторичного электронного умножителя.
Идентификация по масс-спектрам проводится после вычитания фона и разделения перекрывающихся хроматографических пиков. Эта операция может производиться для отдельного пика и для всей хроматограммы или ее части. Система обработки данных комплектуется библиотекой масс-спектров.
Экспериментальная часть.
Хроматографические эксперименты выполняли на газовом хроматографе Хроматэк-Кристалл 5000 и хромато-масс-спектрометре Thermo Scientific ISQ.
(ионизация электронным ударом) на капиллярной колонке НР-5(фаза-полидиметилсилоксан с 5 % фенильной группы) длинной 60 м, диаметром 0,32 мм. ГХ-МС Thermo Scientific ISQ –прибор, который обладает высокой чувствительностью и высокой устойчивостью к загрязнениям. В качестве газа-носителя использовали гелий. Скорость газа-носителя – 1,2 мл/мин в режиме постоянного потока. Температура инжектора – 150°С. Масс-спектрометр работал в режиме ионизации электронным ударом. Детектирование проводили в режиме полного сканирования ионов в диапазоне 50-300 а.е.м. Энергия ионизации – 70 эВ. Температуру источника ионов и квадрупольного масс–анализатора устанавливали на уровне 200 и 260°С соответственно. «Задержка на растворитель», т.е. время включения катода и масс–анализатора–4 мин после ввода пробы. Общее время анализа 1 пробы – 15 мин. Время выхода трифторуксусной кислоты и 2,4,6-коллидина около 4,30 и 9,84 минут соответственно. В режиме SIM регистрировалcя характеристический ион анализируемого соединения – 121. Использование ГХ-МС метода с работой масс-спектрометра в режиме SIM позволило повысить чувствительность и обеспечить селективность методики.
Для идентификации веществ по масс-спектрам использовали электронную библиотеку масс-спектров NIST- библиотека, содержащая 306622 спектров электронной ионизации (267376 спектров химических соединений и 39246 дублирующих спектров).
Обсуждение результатов.
На первом этапе работы необходимо было подобрать оптимальные условия методики определения компонентов.
1.Были разобраны на составные части 3 вида сигарет:
Обычная сигарета
IQOS
HQD
2.Проведена экстракция хлористым метиленом.
3.Эктракты были подвергнуты МАСС-хроматографическом анализу.
4.Полученные результаты были сравнены с библиотекой масс-спектров NIST.
На спектре обычной сигареты были определены:
Никотин
Изопропиловый эфир (пиролизный продукт)
3-гидрокси-2-метилен-маслянная кислота
Неофитодиен
Дибутилфталат (скорее всего технологическая примесь от неправильного хранения табака в пластике при производстве)
Дувотриен
На спектре электронной сигареты IQOS:
Никотин
Дувотриен
Глицерина моноацетат
Глицерина триацетат
Ментол
Неофитодиен
На спектре обычной электронной сигареты HQD:
Никотин
Бензойная кислота( в большом количестве)
Ванилин
Этилванилин
Выводы
Изучена литература. Выявлены все негативные влияния заявленных компонентов электронных сигарет на здоровье человека.
Подобрана оптимальная методика ГЖХ-МС идентификации всех химических веществ, содержащихся в сигаретах.
Пронализировано несколько видов электронных сигарет.
Выявлено большое количество незаявленных производителем химических соединений, которые могут повлиять на здоровье человека. Исследования показали, что гаджеты содержат никотин (в большом количестве), глицерин, ароматизирующие компоненты, пропиленгликоль, изопентиловый эфир, бензойную кислоту и другие канцерогенные (провоцирующие образование злокачественных опухолей) вещесва.
Сделан вывод, что курить вредно! А курить электронные сигареты еще опаснее!