Введение
Летучие органические соединения (ЛОС) – это органические соединения, характеризующиеся высоким давлением пара при комнатной температуре. Высокое давление пара коррелирует с низкой температурой кипения, что связано с концентрацией молекул вещества в окружающем воздухе – свойством, известным как летучесть. ЛОС являются причиной запахов в ароматизаторах и парфюмерии, а также представляют собой загрязняющие вещества. ЛОС играют важную роль в коммуникации между животными и растениями, например, привлекая опылителей, защищая от хищников и обеспечивая взаимодействие между растениями. Некоторые ЛОС опасны для здоровья человека или наносят вред окружающей среде. Антропогенные ЛОС регулируются законодательством, особенно в закрытых помещениях, где их концентрация наиболее высока. Большинство ЛОС не обладают острой токсичностью, но могут вызывать долгосрочные хронические заболевания. Некоторые ЛОС используются в фармацевтике, а другие находятся под административным контролем из-за их рекреационного применения.
Volatile organic compounds (VOCs) are organic compounds that have a high vapor pressure at room temperature. High vapor pressure correlates with a low boiling point, which relates to the number of the sample's molecules in the surrounding air, a trait known as volatility. VOCs are responsible for the odor of scents and perfumes as well as pollutants. VOCs play an important role in communication between animals and plants, e. g. attractants for pollinators, protection from predation, and even inter plant interactions. Some VOCs are dangerous to human health or cause harm to the environment. Anthropogenic VOCs are regulated by law, especially indoors, where concentrations are the highest. Most VOCs are not acutely toxic, but may have long term chronic health effects. Some VOCs have been used in pharmacy, while others are target of administrative controls because of their recreational use.
Определения
Используются различные определения термина ЛОС. Ниже приведены некоторые примеры.
Канада
Канадское управление здравоохранения классифицирует ЛОС как органические соединения с температурами кипения примерно в диапазоне от... Акцент делается на широко распространенных ЛОС, которые оказывают влияние на качество воздуха.
Европейский союз
Европейский Союз определяет ЛОС как "любое органическое соединение, а также фракцию креозота, имеющее при 293,15 K давление паров 0,01 кПа или более, или обладающее соответствующей летучестью в конкретных условиях применения". Директива об эмиссиях летучих органических соединений (ЛОС) являлась основным инструментом политики по сокращению промышленных выбросов летучих органических соединений (ЛОС) в Европейском Союзе. Она охватывает широкий спектр видов деятельности, связанных с использованием растворителей, например, печать, очистка поверхностей, покрытие транспортных средств, химчистка и производство обуви и фармацевтической продукции. Директива об эмиссиях ЛОС требует, чтобы предприятия, осуществляющие такую деятельность, соответствовали либо предельным значениям выбросов, установленным в Директиве, либо требованиям так называемой схемы сокращения выбросов. Статья 13 Директивы о красках, утвержденной в 2004 году, внесла изменения в первоначальную Директиву об эмиссиях ЛОС и ограничивает использование органических растворителей в декоративных красках и лаках, а также в продуктах для отделки транспортных средств. В Директиве о красках установлены максимальные предельные значения содержания ЛОС для красок и лаков при определенных видах применения. С 2013 года Директива об эмиссиях растворителей была заменена Директивой о промышленных выбросах.
Китай
Китайская Народная Республика определяет ЛОС как соединения, которые "образуются в результате эксплуатации автомобилей, промышленного производства и бытового использования, сжигания всех видов топлива, хранения и транспортировки нефтепродуктов, лакокрасочных материалов и покрытий для мебели и оборудования, дыма от приготовления пищи и мелких частиц (PM 2.5)", а также аналогичных источников. Трехлетний план действий по достижению чистого неба, опубликованный Государственным советом в июле 2018 года, предусматривает сокращение выбросов ЛОС по сравнению с уровнем 2015 года на 10% к 2020 году.
Индия
Центральный совет по контролю за загрязнением воздуха Индии опубликовал Закон о воздухе (предотвращение и контроль загрязнения) в 1981 году, с поправками 1987 года, для решения проблем, связанных с загрязнением воздуха в Индии. Хотя в документе не делается различий между летучими органическими соединениями и другими загрязнителями воздуха, CPCB осуществляет мониторинг "оксидов азота (NOx), диоксида серы (SO2), мелкодисперсных частиц (PM10) и взвешенных частиц (SPM)".
Соединенные Штаты
Определения ЛОС, используемые для контроля прекурсоров фотохимического смога Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и государственными органами США, имеющими собственные правила регулирования загрязнения атмосферного воздуха, включают исключения для ЛОС, которые признаны нереакционноспособными или малореакционноспособными в процессе образования смога. Наиболее известны правила регулирования ЛОС, установленные округом управления качеством воздуха Южного побережья Калифорнии и Калифорнийским советом по контролю за качеством воздуха (CARB). Однако такое конкретное использование термина ЛОС может быть вводящим в заблуждение, особенно применительно к качеству воздуха в помещениях, поскольку многие химические вещества, не подлежащие регулированию как загрязнение наружного воздуха, могут иметь важное значение для загрязнения воздуха в помещениях. После общественных слушаний в сентябре 1995 года CARB использует термин "реактивные органические газы" (ROG) для измерения содержания органических газов. CARB пересмотрела определение "летучих органических соединений", используемое в нормативных актах, касающихся потребительских товаров, на основе выводов комитета. Помимо питьевой воды, ЛОС регулируются в стоках загрязняющих веществ в поверхностные воды (непосредственно и через очистные сооружения) как опасные отходы, но не в воздухе помещений, не связанном с промышленной деятельностью. Управление по охране труда и гигиене труда (OSHA) регулирует воздействие ЛОС на рабочем месте. Летучие органические соединения, классифицированные как опасные материалы, регулируются Администрацией безопасности трубопроводного транспорта и опасных материалов во время транспортировки.
Биогенерируемые летучие органические соединения
Большинство летучих органических соединений (ЛОС) в атмосфере Земли являются биогенными, в основном выделяемыми растениями. Без учета метана, биологические источники выбрасывают около 760 тераграмм углерода в год в форме ЛОС. Большинство ЛОС производятся растениями, при этом основным соединением является изопрен. Небольшое количество ЛОС производится животными и микроорганизмами. Многие ЛОС рассматриваются как вторичные метаболиты, которые часто помогают организмам в защите, например, растениям – от поедания травоядными. Сильный запах, испускаемый многими растениями, состоит из летучих веществ зеленых листьев – подмножества ЛОС. Хотя эти вещества предназначены для обнаружения и реагирования на них близлежащими организмами, их можно обнаружить и передавать посредством беспроводной электронной передачи, путем внедрения наносенсоров и инфракрасных передатчиков непосредственно в растительные материалы. На выбросы влияют различные факторы, такие как температура, определяющая скорость испарения и роста, и солнечный свет, определяющий скорость биосинтеза. Выбросы происходят почти исключительно из листьев, в частности, через устьица. ЛОС, выделяемые наземными лесами, часто окисляются гидроксильными радикалами в атмосфере; в отсутствие загрязнителей NOx фотохимия ЛОС регенерирует гидроксильные радикалы, поддерживая устойчивый баланс между биосферой и атмосферой. В связи с недавними изменениями климата, такими как потепление и усиление УФ-излучения, прогнозируется увеличение выбросов биогенных ЛОС растениями, что нарушит взаимодействие биосферы и атмосферы и нанесет ущерб основным экосистемам. Важным классом ЛОС является класс терпенов, таких как мирцен. Чтобы представить масштаб, лес площадью, равной штату Пенсильвания в США, по оценкам, выбрасывает терпены в типичный августовский день в период вегетации. Исследования механизмов индукции генов, производящих летучие органические соединения, и последующего увеличения содержания летучих терпенов были проведены на кукурузе с использованием (Z)-3-гексенола и других растительных гормонов.
Летящие органические соединения в помещениях
Концентрация ЛОС в воздухе внутри помещений может быть в 2–5 раз, а иногда и значительно выше, чем на открытом воздухе. Особенно высокие уровни выделения ЛОС наблюдаются в новых зданиях из-за большого количества новых материалов (строительных материалов, комплектующих, отделочных и декоративных покрытий, таких как клеи, краски и герметики), контактирующих с воздухом в помещении и выделяющих множество летучих органических соединений. Это выделение подчиняется многоэкспоненциальной зависимости во времени, проявляющейся в течение как минимум двух лет: наиболее летучие соединения распадаются с временной константой в несколько дней, а наименее летучие – в несколько лет. Новым зданиям может потребоваться интенсивная вентиляция в течение первых нескольких месяцев или проведение процедуры "выпекания". В существующих зданиях могут появляться новые источники ЛОС, такие как новая мебель, товары народного потребления и переделка внутренних поверхностей, что приводит к постоянному фоновому выбросу общего количества ЛОС и требует улучшения вентиляции. Кроме того, продукты, выделяющие ЛОС, используемые в помещениях, например строительные изделия и мебель, исследуются в камерах эмиссионных испытаний в контролируемых климатических условиях. Для контроля качества этих измерений проводятся межлабораторные сравнения, поэтому идеально подходят воспроизводимо выделяющие вещества в качестве референсных материалов. Эти методы не зависят от адсорбционных свойств материалов, таких как Tenax.
Регулирование выбросов летучих органических соединений в помещениях
В большинстве стран для оценки качества воздуха в помещениях используется отдельное определение ЛОС, охватывающее каждое органическое химическое соединение, измеримое посредством адсорбции из воздуха на Tenax TA, термической десорбции и газохроматографического разделения на 100% неполярной колонке (диметилполисилоксан). ЛОС (летучие органические соединения) – это все соединения, обнаруживаемые в газовой хроматограмме между и включая n-гексан и n-гексадекан. Соединения, выходящие раньше, классифицируются как VVOC (сверхлетучие органические соединения), а соединения, выходящие позже – как SVOC (слаболетучие органические соединения). Франция, Германия (AgBB/DIBt), Бельгия, Норвегия (регламент TEK) и Италия (CAM Edilizia) ввели нормативные акты, ограничивающие выбросы ЛОС из коммерческой продукции. Европейская промышленность разработала множество добровольных экологических знаков и систем классификации, таких как EMICODE, M1, Blue Angel, GuT (для текстильных напольных покрытий), Nordic Swan Ecolabel, EU Ecolabel и Indoor Air Comfort. В Соединенных Штатах существует несколько стандартов, наиболее распространенным из которых является Калифорнийский стандарт CDPH, раздел 01350. Эти нормативные акты и стандарты изменили рыночную ситуацию, что привело к увеличению числа продуктов с низким уровнем выбросов.
Риски для здоровья
Дыхательные, аллергические или иммунные эффекты у младенцев и детей связаны с антропогенными летучими органическими соединениями (ЛОС) и другими загрязнителями воздуха в помещениях и на улице. Некоторые ЛОС, такие как стирол и лимонен, могут реагировать с оксидами азота или с озоном, образуя новые продукты окисления и вторичные аэрозоли, которые могут вызывать симптомы сенсорного раздражения. ЛОС способствуют образованию тропосферного озона и смога. Воздействие ЛОС может привести к раздражению глаз, носа и горла, головным болям, потере координации, тошноте, а также к повреждению печени, почек и центральной нервной системы. Некоторые органические вещества могут вызывать рак у животных, другие подозреваются или доказано вызывают рак у людей. К основным признакам и симптомам, связанным с воздействием ЛОС, относятся раздражение конъюнктивы, дискомфорт в носу и горле, головная боль, аллергическая кожная реакция, затрудненное дыхание, снижение уровня холинэстеразы в сыворотке крови, тошнота, рвота, носовое кровотечение, усталость и головокружение. Способность органических химических веществ вызывать неблагоприятные последствия для здоровья значительно варьируется – от высокотоксичных до веществ, не оказывающих известного воздействия на здоровье. Как и в случае с другими загрязнителями, степень и характер воздействия на здоровье зависят от множества факторов, включая уровень и продолжительность воздействия. Раздражение глаз и дыхательных путей, головные боли, головокружение, нарушения зрения и ухудшение памяти – это некоторые из немедленных симптомов, которые испытывают некоторые люди вскоре после воздействия определенных органических веществ. В настоящее время недостаточно данных о последствиях для здоровья, связанных с уровнями органических веществ, обычно встречающихся в жилых помещениях.
Поглощение
В то время как их концентрации незначительны по сравнению с концентрациями в воздухе в помещениях, бензол, толуол и метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) были обнаружены в образцах грудного молока и повышают общую концентрацию ЛОС, которым мы подвергаемся в течение дня. В одном исследовании отмечается разница между ЛОС в альвеолярном выдыхаемом воздухе и вдыхаемом воздухе, что указывает на то, что ЛОС попадают в организм с пищей, метаболизируются и выводятся внелегочным путем. ЛОС также попадают в организм с питьевой водой в различных концентрациях. Некоторые концентрации ЛОС превышали Национальные первичные нормы для питьевой воды, установленные Агентством по охране окружающей среды США (EPA), и национальные стандарты питьевой воды Китая, установленные Министерством экологии и окружающей среды.
Кожное поглощение
Наличие ЛОС в воздухе и грунтовых водах стимулировало проведение дополнительных исследований. Было проведено несколько исследований для оценки влияния дермального всасывания конкретных ЛОС. Кожный контакт с ЛОС, такими как формальдегид и толуол, приводит к снижению уровня антимикробных пептидов на коже, включая кателицидин LL-37, β-дефензин человека 2 и 3. Ксилен и формальдегид усугубляют аллергическое воспаление в моделях на животных. Толуол также усиливает нарушение регуляции филаггрина – ключевого белка, участвующего в регуляции кожи. Это было подтверждено иммунофлуоресцентным анализом для подтверждения потери белка и вестерн-блоттингом для подтверждения потери мРНК. Эксперименты проводились на образцах человеческой кожи. Воздействие толуола также снижает содержание воды в трансэпидермальном слое, что повышает уязвимость слоев кожи.
Предельные значения выбросов летучих органических соединений
Предельные значения выбросов летучих органических соединений (ЛОС) в воздух помещений опубликованы организациями AgBB, AFSSET, Департаментом здравоохранения штата Калифорния и другими. Эти нормативные требования побудили ряд компаний в лакокрасочной и клеевой промышленности адаптировать свою продукцию, снижая содержание ЛОС. Маркировка и программы сертификации, касающиеся ЛОС, могут не учитывать все ЛОС, выделяемые продуктом, включая некоторые химические соединения, важные для качества воздуха в помещениях. Каждая унция колоранта, добавляемого для тонирования краски, может содержать от 5 до 20 граммов ЛОС. Однако для получения темного цвета может потребоваться от 5 до 15 унций колоранта, что приводит к добавлению 300 или более граммов ЛОС на галлон краски.
Летние органические соединения в медицинских учреждениях
Летучие органические соединения также обнаруживаются в больницах и учреждениях здравоохранения. В этих условиях эти химические вещества широко используются для очистки, дезинфекции и поддержания гигиены различных помещений. Таким образом, медицинские работники, такие как медсестры, врачи, санитарный персонал и другие, могут испытывать неблагоприятные последствия для здоровья, например, астму; однако для определения точных уровней воздействия и факторов, влияющих на него, требуется дальнейшая оценка. Исследования показали, что концентрации различных ЛОС, таких как галогенированные и ароматические углеводороды, существенно различаются в разных зонах одной и той же больницы. Однако в одном из этих исследований было установлено, что основными соединениями внутри здания были этанол, изопропанол, эфир и ацетон. Аналогичным образом, в исследовании, проведенном в Соединенных Штатах, было установлено, что санитарные работники наиболее подвержены воздействию этанола, а специалисты по подготовке медицинского оборудования – 2-пропанола. В исследовании, проведенном во Франции, группа исследователей разработала онлайн-анкету для различных учреждений социального и гериатрического ухода, в которой задавались вопросы о методах уборки, используемых продуктах и частоте проведения этих работ. В результате было выявлено более 200 химических веществ, из которых 41 известно, что они оказывают негативное воздействие на здоровье, 37 из которых являются ЛОС. Воздействие на здоровье включает в себя сенсибилизацию кожи, репродуктивную и органоспецифическую токсичность, канцерогенность, мутагенность и способность нарушать работу эндокринной системы.
Отбор проб
Получение образцов для анализа является сложной задачей. Летучие органические соединения (ЛОС), даже при достижении опасных концентраций, обычно присутствуют в разбавленном состоянии, поэтому требуется предварительная концентрация. Многие компоненты атмосферы несовместимы друг с другом, например, озон и органические соединения, пероксиацилнитраты и многие органические соединения. Кроме того, сбор ЛОС путем конденсации в холодных ловушках приводит к накоплению значительного количества воды, которую, как правило, необходимо избирательно удалять в зависимости от используемых аналитических методов. Для анализа выдыхаемого воздуха применяются следующие способы отбора проб: газовые мешки, шприцы, эвакуированные стальные и стеклянные контейнеры. Количественное определение и идентификация ЛОС осуществляется двумя основными методами. Главный метод – газовая хроматография (ГХ). Приборы ГХ обеспечивают разделение газообразных компонентов. При сочетании с детектором ионизации пламени (FID) ГХ может обнаруживать углеводороды в диапазоне частей на триллион. С использованием детекторов электронного захвата ГХ также эффективна для определения органогалогенидов, таких как хлороуглероды. Вторым основным методом, используемым для анализа ЛОС, является масс-спектрометрия, которая обычно сочетается с ГХ, образуя гибридный метод ГХ-МС. Методы прямой инжекции масс-спектрометрии часто используются для быстрого обнаружения и точного количественного определения ЛОС. PTR-MS является одним из наиболее широко используемых методов для онлайн-анализа биогенных и антропогенных ЛОС. Известно, что приборы PTR-MS, основанные на масс-спектрометрии временипролетного типа, достигают пределов обнаружения 20 pptv за 100 мс и 750 ppqv за 1 минуту времени измерения (интегрирования сигнала). Массовое разрешение этих приборов составляет от 7000 до 10500 м/Δm, что позволяет разделять и независимо количественно определять большинство распространенных изобарических ЛОС.
Химическая обработка отпечатков пальцев и анализ дыхания
Выдыхаемый человеческий воздух содержит несколько тысяч летучих органических соединений и используется в биопсии выдыхаемого воздуха для выявления в качестве биомаркера ЛОС при диагностике таких заболеваний, как рак легких. Одно исследование показало, что "летучие органические соединения в основном переносятся с кровью и, следовательно, позволяют отслеживать различные процессы в организме". И, по-видимому, ЛОС в организме "могут образовываться в результате метаболических процессов или поступать из внешних источников путем ингаляции/абсорбции", таких как табачный дым. Химическое профилирование и анализ выдыхаемого воздуха на содержание летучих органических соединений также были продемонстрированы с использованием массивов химических сенсоров, которые применяют распознавание образов для определения отдельных летучих органических соединений в сложных смесях, таких как дыхательная смесь.
Метрология для измерений ЛОС
Для обеспечения сопоставимости измерений ЛОС необходимы эталонные стандарты, прослеживаемые к единицам СИ. Для ряда ЛОС газообразные эталонные стандарты доступны у поставщиков специальных газов или национальных метрологических институтов в виде баллонов или с использованием методов динамического генерирования. Однако для многих ЛОС, таких как кислородсодержащие ЛОС, монотерпены или формальдегид, нет стандартов с подходящей концентрацией из-за химической реакционной способности или адсорбции этих молекул. В настоящее время несколько национальных метрологических институтов работают над созданием отсутствующих стандартных газовых смесей в следовых концентрациях, минимизируя процессы адсорбции и совершенствуя состав нулевого газа.