Хроматографические методы анализа и их использование в анализе объектов окружающей природной среды (стр. 5 из 7)
Сочетание фотоионизационного детектора и детектора электролитической проводимости. Для анализа летучих ароматических и галогенсодержащих соединений рекомендуется последовательное соединение неразрушающего фотоионизационного детектора (ФИД) и детектора по электролитической проводимости (ЭПД).
В фотоионизационном детекторе вещества возбуждаются фотонами, излучаемыми УФ-лампой, электрический ток, формируемый заряженными частицами, измеряется с помощью двух электродов. Селективность зависти от используемой лампы.
При детектировании галогенсодержащих компонентов посредством ЭПД входящее из колонок вещество восстанавливается водородом в никелевой реакционной трубке при 85 оС с образованием газообразного галогенводорода, который в свою очередь растворяется в н-пропаноле. Изменение проводимости растворителя преобразуется в сигнал детектора.
Атомно-эмиссионный детектор. АЭД позволяет различать галогенорганические соединения. В АЭД выходящее из колонки вещество атомизируется в высокоэнергетическом источнике, образовавшиеся возбужденные атомы излучают свет при возвращении в основное состояние. Излучаемый свет с различными длинами волн диспергируется в спектрометре и измеряется посредством фотодиодной матрицы. Каждый химический элемент имеет свой собственный типичный эмиссионный спектр, в котором эмиссионные линии обычно образуют кластеры с постоянным соотношением интенсивностей внутри кластера.
Комбинированные методы дают дополняющую друг друга информацию, позволяющую произвести правильную идентификации веществ, которые не могут быть опознаны с помощью какого- либо одного метода.[11-12]
Глава 3. Примеры применения хроматографии в анализе объектов окружающей среды
Анализ состояния водной среды с помощью метода газовой хроматографии[13-15]
Метод газовой хроматографии для анализа состояния водной среды все шире проникает из области научного эксперимента в сферы, непосредственно связанные со многими сторонами жизни человека.
В большинстве случаев термин "водная среда" относят к различным водным объектам, находящимся вне организма человека - к морским и речным водам, иным поверхностным водам суши, подземным водам, промышленным и бытовым стокам, атмосферным осадкам, наконец, к пищевым водам (схема 1). Все эти группы объектов было бы правильнее называть "внешней водной средой".
Схема 1
В связи с тем, что в организме человека, как и многих других живых существ, по крайней мере 80% приходится на долю воды, правомерно говорить о "внутренней водной среде" и о соответствующих объектах анализа. Эта категория объектов включает гомогенизаты и экстракты тканей различных органов и биологические жидкости, к числу которых относятся плазма крови, лимфа, слюна, моча, желчь, желудочный сок, спинно-мозговая жидкость и другие (схема 2). Как в первой, так и во второй группе объектов в анализируемых пробах могут присутствовать весьма разнообразные вещества, детальный анализ которых требует применения различных аналитических методов. Так, например, растворенные газы в морских и подземных водах, а также и в крови человека, определяют с помощью спектральных методов и в ряде случаев с помощью газовой хроматографии. Металлы, присутствующие в водных объектах, анализируют с помощью атомной абсорбционной спектроскопии или эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой. Очень малые следовые примеси многих элементов в водной среде определяют с помощью радиоактивационного анализа, а состав присутствующих в водной среде анионных составляющих анализируют методом ионной хроматографии.
Схема 2
Высокомолекулярные полимерные вещества, присутствующие в водной пробе (гуминовые и фульвиновые кислоты во внешних природных водах, белковые компоненты и нуклеиновые кислоты в плазме крови), определяют методами жидкостной хроматографии - эксклюзионной, тонкослойной и высокоэффективной жидкостной хроматографии (схема 3).
Схема 3
Однако очень большое число низкомолекулярных летучих органических соединений, способных переходить в парообразное состояние без разложения, анализируют и определяют количественно с помощью метода газовой хроматографии (схема 4). При этом собственно газохроматографическому определению может предшествовать операция извлечения анализируемых компонентов из водной пробы, их концентрирование и в ряде случаев перевод в их производные, обладающие более высокой летучестью либо меньшей полярностью, чем исходные соединения, и потому более пригодные для анализа с помощью газовой хроматографии (например, органические кислоты обычно переводят в их метиловые эфиры, аминокислоты - в алкиловые эфиры N-трифторацетильных производных и т.п.). Таким образом оказывается возможным использовать метод газовой хроматографии для определения тех органических веществ, которые в принципе не переходят в пар без разложения вследствие своей высокой полярности или малой термической устойчивости (например, углеводы).
Схема 4
Метод газовой хроматографии уже в течение достаточно длительного времени является общепризнанным способом анализа летучих органических компонентов и следовых примесей водной среды. Опубликованы многочисленные монографии и оригинальные статьи, описывающие особенности применения метода газовой хроматографии к анализу тех или иных водных объектов.
Как и любой другой аналитический метод, газовая хроматография может дать корректную объективную информацию о составе водных объектов при условии достаточно правильного выполнения предварительных операций по отбору представительных проб анализируемых вод, извлечения и концентрирования подлежащих определению компонентов и их групп и ввода их в хроматографическую систему.
Объектами газохроматографического определения в водных средах могут быть растворенные газы и органические соединения с молекулярной массой от 16-30 (метан, этан) до 400-500 и более. Состав примесей может довольно быстро изменяться вследствие целого ряда причин. Поэтому время от момента отбора проб до выполнения анализа или предшествующих ему операций, обеспечивающих консервацию их состава, должно быть по возможности малым.
Причины изменения состава примесей водной среды, определяемых с помощью газовой хроматографии, могут включать следующие процессы:
а) потери растворенных газов и наиболее легколетучих органических компонентов вследствие изменений температуры и давления (например, при нагреве водной пробы от исходной температуры водоисточника до температуры лабораторного помещения);
б) исчезновение некоторых подлежащих определению примесных компонентов водных проб в результате химических и микробиологических процессов при хранении до проведения анализа (окисление альдегидов и тиолов, гидролиз ацеталей и галогенопроизводных, микробиологическое расщепление углеводородов нефти и др.);
в) загрязнение проб примесями, извлекаемыми из полимерной тары, используемой при отборе проб и их последующей транспортировке и хранении (пластификаторы, низкомолекулярные компоненты полимеров и т.п.);
г) загрязнение проб примесями, содержащимися в применяемых для экстракции растворителях;
д) изменение проб в испарителях и колонках применяемых хроматографических систем.
Правильно организованный газохроматографический анализ должен в возможно более полной степени исключить все перечисленные выше причины изменения состава анализируемых проб. Этой цели служат многочисленные методики анализа, опубликованные в оригинальных работах, а в ряде случаев и включенные в нормативные документы.
Для извлечения определяемых компонентов из водных матриц применяют методы экстракции малыми объемами органических растворителей с последующим концентрированием путем отгонки экстрагента (рис. 1); твердофазной экстракции с сорбцией определяемых компонентов на адсорбентах с привитой органической неподвижной фазой (углеводородными радикалами от С2H5 до С20Н41, либо функционально замещенными фрагментами с нитрильными, аминными или диольными группами). Разработаны методы микроэкстракции на единичном стеклянном или кварцевом волокне, покрытом пленкой полисилоксановой неподвижной фазы.
Рис. 1. Типичные хроматограммы нефтяных загрязнений, экстрагированных из воды Таганрогского залива: а) - август 1991 г.; б) - октябрь 1991 г.
В пробу анализируемой воды объемом около 100 мл (в конической колбе) помещают магнитную мешалку в форме стеклянной трубки длиной 30 мм и диаметром 2-3 мм с запаянными концами. Внутрь трубки помещают стальной стержень длиной 25 мм и диаметром 1-1,5 мм, а снаружи на трубку надевают отрезок трубки из силиконовой резины длиной 25-30 мм с внутренним диаметром 1 мм и толщиной стенок 0,5 мм. Согласно опубликованным данным перемешивание водной пробы такой мешалкой со скоростью несколько сотен оборотов в минуту в течение 10-15 мин при 20 °С приводит к тому, что более 90% всех липофильных примесей абсорбируется в силиконовой оболочке мешалки. После этого мешалку можно поместить в нагретый испаритель хроматографа для немедленного проведения анализа либо сохранить ее длительное время в закрытой пробирке для транспортировки в стационарную лабораторию.
Подобная техника извлечения и концентрирования малых примесей, названная авторами Stir Bar Sorptive Extraction, несомненно, имеет серьезные перспективы широкого применения. Возможно, что использование таких магнитных мешалок с полимерными покрытиями разных типов позволит избирательно извлекать из водных проб различные группы соединений, отличающиеся по своей полярности и прочим физико-химическим характеристикам.