Курсовая работа
На тему
«Хроматографическиеметоды анализа и их использование в анализе объектов окружающей природнойсреды»
Содержание
Введение
Глава 1. Хроматография в современнойхимии
1.1. Основные виды хроматографии
1.2. Методы проявления хроматограмм
1.3. Работа хроматографа
Глава 2. Применение хроматографическихметодов в экологическом мониторинге
2.1. Аппаратура для хроматографии
Глава 3. Примеры примененияхроматографии в анализе объектов окружающей среды
Глава 4. Современное аппаратурноеоформление
Литература
Введение
Исключительномощное средство контроля загрязнения различных объектов окружающей среды — хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов.Наибольшее значение приобрели тонкослойная, газожидкостная и высокоэффективнаяжидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения,тонкослойная хроматография хороша при определении пестицидов и других органическихсоединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна при анализемногокомпонентных смесей летучих органических веществ. Применение различныхдетекторов, например малоизбирательного детектора по теплопроводности — катарометра и избирательных — пламенно-ионизационного, электронного захвата,атомно-эмиссионного, позволяет достигать высокой чувствительности приопределении высокотоксичных соединений. Высокоэффективную жидкостнуюхроматографию применяют при анализе смесей многих загрязняющих веществ, преждевсего нелетучих. Используя высокочувствительные детекторы:спектрофотометрические, флуориметрические, электрохимические, можно определятьочень малые количества веществ. При анализе смесей сложного состава особенноэффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно смасс-спектрометрией. В последнем случае роль детектора играет подключенный кхроматографу масс-спектрометр. Обычно приборы такого типа оснащены мощнымкомпьютером. Так определяют пестициды, полихлорированные бифенилы, диоксины,нитрозоамины и другие токсичные вещества. Ионная хроматография удобна прианализе катионного и анионного составов вод.
Глава1. Хроматография в современной химии
Одна из важных задач современной химии –надежный и точный анализ органических веществ, часто близких по строению исвойствам. Без этого невозможно проведение химических, биохимических имедицинских исследований, на этом в значительной степени базируютсяэкологические методы анализа окружающей среды, криминалистическая экспертиза, атакже химическая, нефтяная, газовая, пищевая, медицинская отраслипромышленности и многие другие отрасли народного хозяйства.
Один из наиболее чувствительных методов –хроматографический анализ, впервые предложенный российским ученым М.С.Цветом вначале XX в. и к концу века превратившийся в мощнейший инструмент, без которогоуже не могут обходиться как синтетики, так и химики, работающие в других областях.
Разделение Цвет проводил в колонке,показанной на рис. 1. Смесь веществ А, Б и В – природных пигментов, первоначальнонаходящихся в зоне е, – разделяется при приливании соответствующегорастворителя Д (элюент) на отдельные зоны.
/>
Рис. 1. Хроматографическое разделениепигментов хлорофилла М.C.Цветом: а – адсорбент; б – колонка; в – приемник; г –делительная воронка; д – вата.
Смесь веществ А, Б и В, сначала находящихсяв зоне е, разделяется при элюировании растворителем Д (элюент) на отдельныезоны, движущиеся с разными скоростями к выходу из колонки.
Хроматография основана на распределенииодного из нескольких веществ между двумя, как говорят, фазами (например, междутвердым телом и газом, между двумя жидкостями и др.), причем одна из фазпостоянно перемещается, т. е. является подвижной.
Это значит, что такая фаза, например газили жидкость, все время продвигается, нарушая равновесие. При этом чем лучше тоили иное вещество сорбируется (поглощается) или растворяется в неподвижнойфазе, тем скорость его движения меньше, и, наоборот, чем меньше сорбируетсясоединение, т. е. обладает меньшим сродством к неподвижной фазе, тем скорость перемещениябольше. В итоге, как показано на рис. 2, если вначале мы имеем смесьсоединений, то постепенно все они, подталкиваемые подвижной фазой, движутся к«финишу» с различными скоростями и в конце концов разделяются.
/>
Рис. 2. Основной принципхроматографического разделения: НФ – слой неподвижной фазы, покрывающейвнутреннюю поверхность капиллярной трубки Т, через которую течет подвижная фаза(ПФ). Компонент А1 разделяемой смеси обладает большим сродством кподвижной фазе, а компонент А2 – к неподвижной фазе. А '1и А '2 – положения зон тех же компонентов через промежуток времени,за которое происходило хроматографическое разделение в направлении, указанномстрелкой
Практически образец смеси веществ вводят,например, шприцем в слой неподвижной фазы, а затем различные соединения,входящие в состав смеси, вместе с подвижной фазой (элюент) двигаются вдольслоя, подгоняемые этой фазой. Скорость перемещения зависит от величинывзаимодействия (сродство) компонентов в неподвижной и подвижной фазах, и врезультате достигается разделение компонентов.
После разделения необходимоидентифицировать все компоненты и оценить их количественно. Такова общая схемахроматографии.
Следует отметить, что этот современныйметод позволяет в течение нескольких минут определить содержание десятков исотен различных соединений в смеси, причем даже в ничтожных, «следовых»количествах ~10–8%. [1-3]
Хроматографический способ анализа.
Хроматографические системы можно разделитьпо следующим принципам:
– агрегатное состояние подвижной инеподвижной фаз;
– геометрические характеристики системы;
– механизм взаимодействия между разделяемымвеществом и фазами.
В качестве подвижной фазы используется газили жидкость. В качестве неподвижной, или стационарной, фазы применяютсятвердые вещества или жидкости.
По расположению фаз хроматографическиесистемы подразделяют на две группы: плоскостные и колоночные.
Последние, в свою очередь, разделяются на:
– насадочные, заполненные зернистым твердымматериалом (мелкие шарики), либо являющимся разделительной средой, либослужащим носителем неподвижной жидкой фазы;
– капиллярные, внутренние стенки которыхпокрыты пленкой неподвижной жидкости или слоем твердого адсорбента(поглотитель).
Взаимодействие между разделяемым веществоми фазами хроматографической системы может осуществляться или на поверхностифазы, или в объеме. В первом случае хроматография называется адсорбционной, во втором – распределительной.
Механизмы разделения молекул вхроматографических системах чаще всего сводятся к следующим:
– неподвижная фаза физически поглощает(сорбирует) разделяемые вещества;
– неподвижная фаза химическивзаимодействует с разделяемыми веществами;
– неподвижная фаза растворяет разделяемыевещества из раствора в несмешивающемся растворителе;
– неподвижная фаза имеет пористуюструктуру, затрудняющую диффузию молекул разделяемых веществ в этой фазе.
Хроматография, начавшись с самодельныхустройств типа полоски бумаги, опущенной в растворитель, в настоящее времяпредставлена сложнейшими инструментальными системами, основанными насовременных точнейших, или прецизионных, принципах и оснащенными компьютернымобеспечением. Схема процесса хроматографирования, в сущности, очень проста и показанана рис. 3. Далее примерно в такой последовательности будет рассмотрен принципработы хроматографа.
/>
1.1 Основные видыхроматографии
К основным видам хроматографии относятадсорбционную, ионообменную, жидкостную, бумажную, тонкослойную,гель-фильтрационную и афинную хроматографию.
Адсорбционная хроматография. В этомслучае разделение веществ осуществляется за счет выборочной (селективной)адсорбции веществ на неподвижной фазе. Такая селективная адсорбция обусловленасродством того или иного соединения к твердому адсорбенту (неподвижной фазе), аоно, в свою очередь, определяется полярными взаимодействиями их молекул.Поэтому часто хроматографию такого типа используют при анализе соединений,свойства которых определяются числом и типом полярных групп. К адсорбционнойхроматографии причисляют ионообменную, жидкостную, бумажную, тонкослойную игазо-адсорбционную хроматографию.
/>
Рис. 4. Изображение структуры частицы ионообменнойсмолы: – заряженные функциональные группы,ковалентно связанные с нитями решетки; – свободно перемещающиеся противоположно заряженные протовоионы,электростатически связанные с частицей смолы, способные претерпевать обмен сдругими ионами.
Ионообменная хроматография. В качестве неподвижной фазы используютионообменные смолы (рис. 4) как в колонках, так и в виде тонкого слоя напластинке или бумаге. Разделение обычно проводят в водных средах, поэтому этотметод используется главным образом в неорганической химии, хотя применяются исмешанные растворители. Движущей силой разделения в этом случае являетсяразличное сродство разделяемых ионов раствора к ионообменным центрампротивоположной полярности в неподвижной фазе.
Жидкостная хроматография. В этом случае неподвижной фазой служитжидкость. Наиболее распространенным случаем является адсорбционный вариантжидкостной колоночной хроматографии. Пример разделения природных пигментовпредставлен на рис. 5.
/>
Рис. 5. Хроматографическое разделениеприродных пигментов (флавонов и изофлавонов)
Бумажная хроматография. В качестве неподвижной фазы используютполосы или листы бумаги (рис. 6). Разделение происходит по адсорбционномумеханизму, причем иногда его проводят в двух перпендикулярных направлениях.
/>
Рис. 6. Схема разделения методом бумажнойхроматографии: А, Б и В – положения компонентов смеси по окончании хроматографическогоразделения. Подвижная фаза впитывается в бумагу (неподвижная фаза) поддействием капиллярных сил и переносит индивидуальные компоненты смеси сразличными скоростями, зависящими от отношений растворимости этих компонентов вобеих фазах. Отношение а/б = Rf (фактор запаздывания) характеризуетданное разделяемое вещество
Тонкослойная хроматография – это любая система, в которой неподвижнойфазой является тонкий слой, в частности слой оксида алюминия (толщина 2 мм) в виде пасты, нанесенной на стеклянную пластинку. Пример такой системы и результаты разделенияпоказаны на рис. 7.
/>
Рис. 7. Камера для тонкослойнойхроматографии: а – общий вид; б – схематический разрез; 1 – подложка со слоемсорбента; 2 – край камеры; 3 – емкость для растворителя
Гель-фильтрационная, или молекулярно-ситовая, хроматография. Принцип разделенияв таких системах несколько иной, чем в предыдущих случаях. Неподвижной фазойявляются материалы, обычно гели, со строго контролируемой пористостью, врезультате чего одни компоненты смеси в соответствии с размером и формоймолекул могут проникать между частицами геля, а другие не могут. Наиболее частоэтот вид хроматографии используется для разделения высокомолекулярныхсоединений. Один из вариантов применения этого метода – определениемолекулярных масс разделяемых веществ, часто необходимых для химическихисследований (рис. 8).
/>
Рис. 8. Схема разделения методом гель-хроматографии: а – началоразделения б – разделение в – конец разделения; большие кружки – частицы геля,большие точки – молекулы соединений с большой молекулярной массой, маленькиеточки – молекулы соединений с меньшей молекулярной массой
Афинная хроматография. Этот вид хроматографии основан на взаимодействии междувеществом, с одной стороны, способным реагировать с выделяемым соединением, а сдругой – связанным с твердым носителем неподвижной фазы. Такое веществообладает сродством к выделяемому соединению и называется афинным лигандом.
Наиболее часто этот метод находитприменение в биохимическом анализе. Например, при пропускании через целлюлозу,активированную бромцианом, биологических объектов-антигенов, содержащих белки,происходит их специфическое удерживание, как показано на схеме 1.
/>
По другому способу для присоединения белковк гидроксильной группе целлюлозы последнюю сначала обрабатывают2-амино-4,6-дихлор-сим-триазином, а затем продукт их взаимодействия вступает вреакцию с аминогруппой белка по схеме 2:
/>
Конечно, число способов хроматографированияне ограничивается перечисленными выше. Часто хроматографию сочетают с другимифизико-химическими методами, например с масс-спектрометрией, но в данной статьестоит задача познакомить читателя лишь с общими принципами хроматографии.Поэтому далее рассмотрим обработку результатов хроматографирования.
1.2 Методыпроявления хроматограмм
Проявлением называется процесс переносаразделяемых веществ подвижной фазой. Проявление можно осуществить тремяосновными способами: фронтальным анализом, вытеснением и элюированием. Наиболеешироко используется элюирование.
Фронтальный анализ. Это случай наиболеепростой, т. к. здесь проба и служит подвижной фазой. Ее непрерывно добавляют всистему, поэтому нужны большие объемы пробы. Результаты показаны на рис. 9.
/>
Образование нескольких зон обусловленоразличным сродством разных компонентов к неподвижной фазе. Передний крайназывают фронтом, отсюда и название. В первой зоне находится только наименееудерживаемое вещество А, которое движется быстрее всего. Вторая зона содержитвещество А и Б. Третья зона – смесь веществ А, Б и В. Во фронтальном анализетолько компонент А получают в жидком виде.
Вытеснительный анализ. В этом случае подвижная фаза обладаетбольшим сродством к неподвижной фазе, чем разделяемое вещество. В неподвижнуюфазу вводят небольшую пробу. Но из-за большого сродства подвижная фазавытесняет и проталкивает все компоненты. Она вытесняет наиболее сильносорбирующийся компонент В, который, в свою очередь, вытесняет вещество Б, а тотвытесняет наименее сорбирующийся компонент А. В отличие от фронтального анализас помощью этого способа можно получить все основные компоненты в индивидуальном(жидком) виде.
Элюентный анализ. Подвижную фазу для перемещения растворенноговещества пропускают через хроматографическую систему. Разделение происходит засчет различного сродства компонентов смеси к неподвижной фазе и, следовательно,за счет разных скоростей их перемещения. Пробу малого объема вводят вхроматографическую систему. В итоге зоны с компонентами будут постепеннообразовывать отдельные участки, разделенные чистым элюентом. Благодаря высокойэффективности разделения метод получил наиболее широкое распространение и взначительной степени вытеснил другие варианты разделения. Поэтому далеерассмотрим теорию и аппаратное оформление этого метода.
Хроматографические процессы часто удобнорассматривать как серии экстракционных процессов, при этом могут быть разделенывещества с очень близкими свойствами, т. к. в ходе хроматографических процессовбыстро и одновременно происходят сотни и даже тысячи циклов экстракции.
Для оценки эффективности хроматографическихпроцессов, исходя из теоретического представления о дистилляции (по аналогии сразделением нефти на ректификационных колоннах, где теоретическая тарелкасоответствует части ректификационной колонны, в которой пар и жидкостьнаходятся в равновесии), вводят понятие «высота, эквивалентная теоретическойтарелке» (ВЭТТ). Хроматографическая колонка, таким образом, рассматривается какнабор гипотетических слоев (тарелок). Под ВЭТТ обычно подразумевают такуютолщину слоя, которая необходима для того, чтобы смесь, поступившая изпредыдущего слоя, пришла в равновесие со средней концентрацией вещества вподвижной фазе этого слоя. Ее можно описать следующей формулой:
ВЭТТ = L/N,
где L – длина колонки, N – числотеоретических тарелок.
ВЭТТ является суммарной характеристикойразделения веществ. Однако разделить компоненты смеси важно, но недостаточно.Необходимо идентифицировать каждый компонент и определить его количество впробе. Обычно это осуществляют с помощью обработки хроматограмм – зависимостиинтенсивности сигнала, пропорционального концентрации вещества, от времениразделения. Некоторые примеры хроматограмм показаны на рис. 9.
/>
Время от момента ввода пробы в колонку домомента регистрации максимума пика называется временем удерживания (tR). Воптимальных условиях оно не зависит от количества введенной пробы и с учетомгеометрических параметров колонки определяется строением того или иногосоединения, т. е. является качественной характеристикой компонентов.Количественное содержание компонента характеризуется величиной пика, точнее егоплощадью. Подсчет площади пика обычно осуществляют автоматически с помощьюприбора интегратора, который фиксирует и время удерживания, и площадь пика.Современная аппаратура позволяет сразу получать компьютерную распечатку суказанием содержания всех компонентов разделяемой смеси.
/>
1.3 Работахроматографа
Схема установки наиболее простого газовогохроматографа приведена на рис. 12. Она состоит из газового баллона, содержащегоподвижную инертную фазу (газ-носитель), чаще всего гелий, азот, аргон и др. Спомощью редуктора, уменьшающего давление газа до необходимого, газ-носительпоступает в колонку, представляющую собой трубку, заполненную сорбентом илидругим хроматографическим материалом, играющим роль неподвижной фазы.
/>
Рис. 10. Схема работы газовогохроматографа: 1 – баллон высокого давления с газом-носителем; 2 – стабилизаторпотока; 3 и 3 ' – манометры; 4 – хроматографическая колонка; 5 – устройство дляввода пробы; 6 – термостат; 7 – детектор; 8 – самописец; 9 – расходомер
Хроматографическая колонка – это «сердце»хроматографа, поскольку именно в ней происходит разделение смесей. Колонки чащевсего изготавливают из стекла; бывают стальные, тефлоновые, а также капиллярныеколонки. Вблизи от ввода газа в колонку устанавливают устройство для ввода пробы.Чаще всего вводят пробу с помощью шприца, протыкая резиновую мембрану.Анализируемая смесь разделяется в колонке и поступает в детектор – прибор,преобразующий результаты разделения в форму, удобную для регистрации.
Одним из наиболее используемых детекторовявляется катарометр, принцип действия которого основан на измерениитеплоемкости разных тел.
На рис. 11 показана схема катарометра. Вцилиндрическую полость помещена металлическая спираль (нить сопротивления),нагревающаяся в результате прохождения через нее постоянного электрическоготока. При протекании через нее газа-носителя c постоянной скоростью температураспирали остается постоянной. Однако если состав газа меняется при появленииэлюируемого вещества, то температура спирали меняется, что и регистрируетсяприбором.
/>
Рис. 11. Схема катарометра: 1 – ввод газа из хроматографическойколонки; 2 – вывод продуктов в атмосферу; 3 – нить сопротивления; 4 – изолятор;5 – металлический блок катарометра
Другой распространенный детектор –пламенно-ионизационный, схема которого представлена на рис. 12. Он гораздоболее чувствителен, чем катарометр, но требует подачи не только газа-носителя,но и водорода. Выходящий из колонки газ-носитель, содержащий элюент,смешивается с водородом и проходит в форсунку горелки детектора. Пламяионизирует молекулы элюента, в результате чего электрическое сопротивлениемежду электродами уменьшается, а ток увеличивается.
/>
Рис. 12. Схема пламенно-ионизационногодетектора: 1 – вводводорода; 2 – ввод газа из хроматографической колонки; 3 – ввод воздуха; 4 –катод; 5 – горелка; 6 – собирающий электрод; 7 – вывод продуктов горения ватмосферу.
В жидкостной хроматографии применяютсяспектрофотометрические детекторы (в видимой, УФ — и ИК-областях), а такжерефрактометрические детекторы, основанные на измерении показателей преломлениярастворов.
Глава 2.Применение хроматографических методов в экологическом мониторинге
Хроматографические методы часто оказываются незаменимыми для идентификации иколичественного определения органических веществ со сходной структурой. Приэтом наиболее широко используемыми для рутинных анализов загрязнителейокружающей среды являются газовая и высокоэффективнаяжидкостная хроматография.
Газохроматографический анализ органических загрязнителей в питьевой и сточных водахсначала основывался на использовании насадочных колонок, позднеераспространение получили и кварцевые капиллярные колонки. Внутренний диаметркапиллярных колонок составляет обычно 0,20-0,75 мм, длина — 30-105 м. Оптимальные результаты при анализе загрязнителей в воде достигаются чащевсего при использовании капиллярных колонок с различной толщиной пленки изметилфенилсиликонов с содержанием фенильных групп 5 и 50%. Уязвимым местомхроматографических методик с использованием капиллярных колонок частостановится система ввода пробы. Системы ввода пробы можно подразделить на двегруппы: универсальные и селективные. К универсальным относятся системы ввода сделением и без деления потока, “холодный” ввод в колонку и испарение припрограммировании температуры. При селективном вводе используют продувку с промежуточнымулавливанием в ловушке, парофазный анализ и т.д. При использованииуниверсальных систем ввода в колонку поступает вся проба полностью, приселективной инжекции вводится только определенная фракция. Результаты,получаемые при селективном вводе, являются существенно более точными, посколькупопавшая в колонку фракция содержит только летучие вещества, и техника при этомможет быть полностью автоматизирована.
Газохроматографические детекторы,используемые в мониторинге загрязнителей, часто подразделяют на универсальные,откликающиеся на каждый компонент в подвижной фазе, и селективные, реагирующиена присутствие в подвижной фазе определенной группы веществ со сходными химическимихарактеристиками. К универсальным относятся пламенно-ионизационный,атомно-эмиссионный, масс-спектрометрический детекторы и инфракраснаяспектрометрия. Селективными детекторами, используемыми в анализе воды, являютсяэлектронно-захватный (селективен к веществам, содержащим атомы галогенов),термоионный (селективен к азот- и фосфорсодержащим соединениям),фотоионизационный (селективен к ароматическим углеводородам), детектор поэлектролитической проводимости (селективен к соединениям, содержащим атомыгалогенов, серы и азота). Минимально детектируемые количества веществ — отнанограммов до пикограммов в секунду.
Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) является идеальным методом дляопределения большого числа термически неустойчивых соединений, которые не могутбыть проанализированы с помощью газовой хроматографии. Объектами анализа методомжидкостной хроматографии в настоящее время часто становятся современныеагрохимикаты, в число которых входят метилкарбонаты и фосфорорганическиеинсектициды, другие нелетучие вещества. Высокоэффективная жидкостнаяхроматография получает все большее распространение среди других методов,применяемых в мониторинге окружающей среды, еще и потому, что имеет блестящиеперспективы в плане автоматизации пробоподготовки.
Колонки для ВЭЖХ, которые чаще всегоиспользуют в анализах загрязнителей окружающей среды, имеют длину 25 см и внутренний диаметр 4,6 мм, заполняются они сферическими частицами силикагеля размером 5-10мкм с привитыми октадецильными группами. В последние годы появились колонки сменьшим внутренним диаметром, заполненными частицами меньшего размера.Использование таких колонок приводит к уменьшению расхода растворителей ипродолжительности анализа, увеличению чувствительности и эффективностиразделения, а также облегчает проблему подключения колонок к спектральнымдетекторам. Колонки с внутренним диаметром 3,1 мм снабжают предохранительным картриджем (форколонкой) для увеличения срока службы и улучшениявоспроизводимости анализов.
В качестве детекторов в современныхприборах для ВЭЖХ используются обычно УФ-детектор на диодной матрице,флуоресцентный и электрохимический.
Электроаналитические методы, которые обычноприменяют в анализе воды для определения неорганических компонентов, частоуступают по чувствительности методам газовой и жидкостной хроматографии,атомно-адсорбционной спектрометрии. Однако здесь используется более дешеваяаппаратура, иногда даже в полевых условиях. Основными электроаналитическимиметодами, применяемыми в анализе воды, являются вольтамперометрия, потенциометрияи кондуктометрия.Наиболее эффективными вольтамперометрическими методами являютсядифференциальная импульсная полярография (ДИП) и инверсионный электрохимическийанализ (ИЭА). Сочетание этих двух методов позволяет проводить определение сочень высокой чувствительностью — приблизительно 10-9 моль/л,аппаратурное оформление при этом несложно, что дает возможность делать анализыв полевых условиях. На принципе использования метода ИЭА или сочетания ИЭА сДИП работают полностью автоматизированные станции мониторинга. Методы ДИП и ИЭАв прямом варианте, а также в сочетании друг с другом используют для анализазагрязненности воды ионами тяжелых металлов, различными органическимивеществами. При этом часто способы пробоподготовки являются гораздо болеепростыми, чем в спектрометрии или газовой хроматографии. Преимуществом методаИЭА является (в отличие от других методов, например, атомно-адсорбционнойспектрометрии) также способность “отличать” свободные ионы от их связанныххимических форм, что важно и для оценки физико-химических свойств анализируемыхвеществ, и с точки зрения биологического контроля (например, при оценкетоксичности вод). Время проведения анализа иногда сокращается до несколькихсекунд за счет повышения скорости развертки поляризующего напряжения.
Потенциометрия с применением различных ионоселективных электродовиспользуется в анализе воды для определения большого числа неорганическихкатионов и анионов. Концентрации, которые удается определить таким способом, 100-10-7 моль/л. Контроль с помощью ионоселективных электродовотличается простотой, экспрессностью и возможностью проведения непрерывныхизмерений. В настоящее время созданы ионоселективные электроды, чувствительныек некоторым органическим веществам (например, алкалоидам),поверхностно-активным веществами и моющим веществам (детергентам). В анализеводы используются компактные анализаторы типа зондов с применением современныхионоселективных электродов. При этом в ручке зонда смонтирована схема,обрабатывающая отклик, и дисплей.
Кондуктометрия используется в работе анализаторов детергентов в сточныхводах, при определении концентраций синтетических удобрений в оросительныхсистемах, при оценке качества питьевой воды. В дополнение к прямойкондуктометрии для определения некоторых видов загрязнителей могут бытьиспользованы косвенные методы, в которых определяемые вещества взаимодействуютперед измерением со специально подобранными реагентами и регистрируемоеизменение электропроводности вызывается только присутствием соответствующихпродуктов реакции. Кроме классических вариантов кондуктометрии применяют и еевысокочастотный вариант (осциллометрию), в котором индикаторная электроднаясистема реализуется в кондуктометрических анализаторах непрерывного действия. [15,8-11]
2.1 Аппаратурадля хроматографии
Газоанализаторы.
1. Универсальный газоанализатор«ГАНК-4».
ГАНК-4 – серийная копия Первогоуниверсального космического газоанализатора. ГАНК-4 отмечен высшиминаградами на 5 международных выставках, имеет 7 патентов.
В газоанализаторе реализованэкспрессный метод измерения максимально-разовых концентраций основныхзагрязнителей атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны (контролируемыевещества по выбору – до 130 (аммиак. ацетон, аэрозоль краски, бензин, водород,диоксид азота, диоксид углерода, кислород, кислота азотная, серная, уксусная,ксилол, марганец, масло минеральное, метанол, озон, окись этилена, пыль, сажа,сероводород, стирол, толуол, фенол, формальдегид. щелочь, этанол.этиленгликоль. этилцеллозольв и другие); диапазон измерений – от 0,001 мг/куб.м до 100 % об).
Достоинством газоанализатора является малыйвес, автономное питание от встроенного аккумулятора, возможность легкого ибыстрого использования различных датчиков (химических сенсоров) и химкассет наразличные ингредиенты для анализа атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны.Он с успехом применяется как основное средство измерений при аттестации рабочихмест.
Широкая номенклатура анализируемых веществдает возможность пользователю легко выбирать перечень загрязнителей и диапазоныих измерения, которые необходимы для работы на различных объектах.
Газоанализатор «ГАНК-4» удобен вэксплуатации, не требуется специальной перенастройки прибора при переходе содного ингредиента на другой, имеется возможность производить измерения в любомместе, на любой высоте, не требуется выполнять усредненный расчет показаний –средний результат высвечивается на дисплее, одновременно производится отбор следующейпробы и обработка результата.
Газоанализатор является незаменимымсредством измерения при различной загазованности объектов, ликвидациичрезвычайных ситуаций, для принятия срочных мер.
2. Портативный газовый хроматограф ФГХ-1.
ФГХ-1 является современнымавтоматизированным средством экспресс определения концентрации вредных веществв воздухе. Благодаря высокой чувствительности и автоматизации, один и тот жеприбор без какой-либо пробоподготовки позволяет анализировать содержаниевредных веществ в воздухе в широком диапазоне концентраций: от ПДК в атмосфередо промышленных выбросов и при чрезвычайных ситуациях.
ФГХ — является уникальным средствомэксресс-анализа, предназначенным для работы как в лабораторных, так и в«полевых» условиях непосредственно на исследуемом объекте, так как содержитсобственные средства электро- и газового питания. Результаты анализа,комментарии к ним и сами хроматограммы автоматически документируются в памятикомпьютера и могут быть немедленно предъявлены Заказчику или администрацииконтролируемого предприятия. Количество хранящихся хроматограмм – до 2000. Помимоопределения концентрации веществ, ФГХ позволяет их автоматическиидентифицировать.
Хроматограф содержит компьютер типа «Note-Book». Простое в использовании программноеобеспечение позволяет проводить анализ в автоматическом режиме, а такжеработать с хроматограммой, воспроизводимой на экране компьютера. Для работы наФГХ в автоматическом режиме не требуются специальные знания и опыт работы нахроматографах.
Анализируемые вещества – предельные инепредельные углеводороды, спирты, простые и сложные эфиры, ароматическиеуглеводороды, кетоны, нефтепродукты, растворители, хлорпроизводныеуглеводородов, окись азота, сероуглерод и другие. Время анализа – менее 10минут.
Некоторые примеры наиболееподходящих портативных (переносных) средств и их основные характеристики:
1. Хроматограф газовый полевойтипа ЭХО-М (г. Новосибирск) масса 6 — 7 кг, электропитание 12 В, время непрерывной работы 8 ч. Детектор электронного захвата. Возможна замена детекторов (фотоионизационныйдетектор, пламенно-ионизационный детектор). Предел обнаружения с детекторомэлектронного захвата составляет 5 10-13 кг(с возможным дополнением 1000 — кратного обогащения в выносном концентраторе).Цена — 12 000 — 14 000 $.
2. Хроматограф газовый переноснойдля анализа неорганических газов и продуктов сгорания топлива типа АХГ — 002.Предел обнаружения, г/см3: по Н2 — 8,4·10-10, по СО — 3,5·10-8, по СН4 — 6,6·10-9, по О2 — 8,7·10-9, по СО2 — 9,2·10-7 с детектором потеплопроводности. Цена ~ 2100 $.
3. Хроматограф газовыймалогабаритный типа ХПМ — 5 для анализа сложных смесей веществ. Масса — 20 кг (аналитический блок) и 8 кг (блок питания), габариты, мм — 412х282х341 (аналитический блок) и120х311х290 (блок питания). Пределы обнаружения: S — 1,0·10-10(пламенно-фотометрический детектор), P — 1·10-11 — (пламенно-фотометрический детектор) и 2,0·10-12 (термоионныйдетектор), N-5·10-12 (термоионный детектор), пестициды — 4,0·10-13(детектор электронного захвата), УВ — 2,0·10-8 (детектор потеплопроводности) и 2·10-11(пламенно-ионизационный детектор). Цена3500 $.
4. Хроматографы жидкостныепереносные типа «Цвет — 403». Масса — 16 кг, предел обнаружения, в мг/мл: 10-8 — 10-10 (электрохимический детектор) и 10-4 (ультрафиолетовыйдетектор). Цена 3000 — 3400 $.
5. Фотометр КФК-05 переносноймалогабаритный (АООТ «Загорский оптико — механический завод», г.Сергиев-Посад). Габариты 190х170х83 мм, вес 1,2 кг, электропитание 220 и 12 В. Погрешность 1 %, среднеквадратичное отклонение 0,15 %.
6. Микрофотоколориметр полевой.МКМФ-02П (микропроцессорный аналог). Цена 455 — 520 $.
7. Спектрофотометр переноснойDR/2010 VIS, =400-900 нм, погрешность 2 %, среднеквадратичное отклонение 0,15%. Цена 3500 $.
Хроматографы
Вторым признанным лидером почислу реализуемых методик анализа веществ в объектах окружающей среды (20 — 40%) в настоящее время являются приборы, основанные на хроматографии. Газовые(подвижная фаза — газ, неподвижная — твердый сорбент), газожидкостные(подвижная фаза — газ, неподвижная — тонкий слой жидкости на твердом носителе),жидкостные (подвижная фаза — жидкость, неподвижная фаза — твердый сорбент).
Среди отечественных хроматографическихприборов больше всего отмечается газовых хроматографов (ряд серий и несколькодесятков моделей). Наиболее известными в России являются газовые хроматографысерии «ЦВЕТ» Дзержинского завода (Московская область). Наиболее распространеннаямодель из этой серии — лабораторный газовый хроматограф «ЦВЕТ-800» спламенно-ионизационным детектором. Цена базовой модели от 3700 $. Она можеткомплектоваться еще пятью детекторами (290 — 860 $).
ДТП — детектор по теплопроводности (для анализа летучих органическихи неорганических соединений), неселективен,
ДЭЗ (ЭЗД) — детектор электронного захвата. Для высокочувствительногоанализа Cl-, P- и N- содержащих соединений, в том числе ядохимикатов,селективен к Cl и O содержащим соединениям,
ПФД -пламенно — фотометрический детектор, селективен к P- иS-содержащим соединениям,
ТИД — термоионный детектор, селективный к P- и N-содержащим соединениям,
ФИД — фотоионизационный детектор (для анализа ароматических иалифатических углеводородов, фенолов, пестицидов и др. органических веществ спотенциалом ионизации ниже 12 эВ).
В зависимости от детектора иопределяемого вещества чувствительность этого хроматографа может составлять 10-10 — 10-4 % об. Отличается высокой точностью (± 1-7 %) ивоспроизводимостью анализа. Режимы задаются и управляются микропроцессором, аобработка выходной информации осуществляется компьютером или с выводом насамописец для ручной обработки.
Еще одна достаточно известнаямодель газовых хроматографов — «Кристалл». Наиболее современные и полностьюавтоматизированные отечественные лабораторные хроматографы — «Кристалл-200М»,«Кристалл-4000».
Жидкостные хроматографы
Наиболее известны отечественныемикроколоночные лабораторные жидкостные хромтаографы серии «МИЛИХРОМ»,управляемые компьютером (5400 — 8400 $). Эти приборы позволяют счувствительностью 10-9 — 10-11 г (10-3 — 10-5 г в пробе) определять пестициды, фенолы, тяжелыеметаллы, ПАУ, альдегиды, бензойную кислоту и другие органические вещества. Точностьопределения обычно составляет 1 — 3 %.
Отечественные ионныехроматографы: «ЦВЕТ — 3006М», «ЦВЕТ — 4000», «Стайер».
Остановимся более подробно напринципе работы детекторов, используемых в хромтаографии.
Детекторы газовых хроматографов
Детекторы обычно классифицируютна основании их селективности на универсальные, реагирующие на каждый компонентв подвижной фазе, селективные для определенной группы веществ, специфическиедля одного или ограниченного круга компонентов со сходными химическими характеристиками.
Пламенно-ионизационный детектор (ПИД). Проводимость газа -носителя,являющегося электрополяризатором, существенно возрастает благодаря ионам,образующимся при горении органических соединений в водородном пламени. ОткликПИД пропорционален числу атомов углерода в молекуле, изменяется при переходе отодного класса органического соединений к другому незначительно.
Достоинства: простота в обращении, быстрыйотклик, широкий линейный динамический диапазон, универсальность.
Недостатки: при проведении анализаопределенного соединения в сложной матрице требуется более селективный детектордля уменьшения числа пиков мешающих компонентов. ПИД дает слабый отклик навещества с малым содержанием углерода.
Электронно-захватный детектор (ЭЗД) используют для определениягалогенсодержаищх соединений: хлорорганические пестициды, дибензафураны,тригалометаны и т.д. Принцип действия этого детектора основан на уменьшениипроводимости, вызываемом захватом электронов специфическим анализируемымвеществом. В состав детектора входит радиоактивный источник малой интенсивности(фольга с 63Ni), который испускает электроны высокой энергии.Ионизация молекул газа — носителя (азота или смеси аргона и метана) приводит кобразованию ионов и тепловых электронов, которые и формируют электрический токв ионизационной камере. Когда в нее попадают молекулы галогенсодержащихорганических соединений, тепловые электроны захватываются атомами галогена ипроводимость уменьшается, что приводит к формированию сигнала детектора.
ЭЗД хорошо зарекомендовал себяпри анализе питьевых и подземных вод. В случае поверхностных и сточных вод,содержащих множество органических соединений различных классов, требуетсяпредварительная очистка вод.
Сочетание фотоионизационного детектора идетектора электролитической проводимости. Для анализа летучих ароматических и галогенсодержащихсоединений рекомендуется последовательное соединение неразрушающегофотоионизационного детектора (ФИД) и детектора по электролитическойпроводимости (ЭПД).
В фотоионизационном детекторевещества возбуждаются фотонами, излучаемыми УФ-лампой, электрический ток,формируемый заряженными частицами, измеряется с помощью двух электродов.Селективность зависти от используемой лампы.
При детектированиигалогенсодержащих компонентов посредством ЭПД входящее из колонок веществовосстанавливается водородом в никелевой реакционной трубке при 85 оСс образованием газообразного галогенводорода, который в свою очередьрастворяется в н-пропаноле. Изменение проводимости растворителя преобразуется всигнал детектора.
Атомно-эмиссионный детектор. АЭД позволяет различатьгалогенорганические соединения. В АЭД выходящее из колонки вещество атомизируетсяв высокоэнергетическом источнике, образовавшиеся возбужденные атомы излучаютсвет при возвращении в основное состояние. Излучаемый свет с различными длинамиволн диспергируется в спектрометре и измеряется посредством фотодиоднойматрицы. Каждый химический элемент имеет свой собственный типичный эмиссионныйспектр, в котором эмиссионные линии обычно образуют кластеры с постояннымсоотношением интенсивностей внутри кластера.
Комбинированные методы даютдополняющую друг друга информацию, позволяющую произвести правильнуюидентификации веществ, которые не могут быть опознаны с помощью какого- либоодного метода.[11-12]
Глава3. Примеры применения хроматографии в анализе объектов окружающей среды
Анализ состояния водной среды с помощьюметода газовой хроматографии[13-15]
Метод газовой хроматографии для анализа состояния воднойсреды все шире проникает из области научного эксперимента в сферы, непосредственносвязанные со многими сторонами жизни человека.
В большинстве случаев термин «воднаясреда» относят к различным водным объектам, находящимся вне организмачеловека — к морским и речным водам, иным поверхностным водам суши, подземнымводам, промышленным и бытовым стокам, атмосферным осадкам, наконец, к пищевымводам (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 соответствующихобъектах анализа. Эта категория объектов включает гомогенизаты и экстрактытканей различных органов и биологические жидкости, к числу которых относятсяплазма крови, лимфа, слюна, моча, желчь, желудочный сок, спинно-мозговая жидкостьи другие (схема 2). Как в первой, так и во второй группе объектов ванализируемых 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 кровичеловека, определяют с помощью спектральных методов и в ряде случаев с помощьюгазовой хроматографии. Металлы, присутствующие в водных объектах, анализируют спомощью атомной абсорбционной спектроскопии или эмиссионной спектроскопии синдуктивно связанной плазмой. Очень малые следовые примеси многих элементов вводной среде определяют с помощью радиоактивационного анализа, а составприсутствующих в водной среде анионных составляющих анализируют методом ионнойхроматографии.
Схема 2
/>
Высокомолекулярные полимерные вещества,присутствующие в водной пробе (гуминовые и фульвиновые кислоты во внешнихприродных водах, белковые компоненты и нуклеиновые кислоты в плазме крови),определяют методами жидкостной хроматографии — эксклюзионной, тонкослойной и высокоэффективнойжидкостной хроматографии (схема 3).
Схема 3
/>
Однако очень большое числонизкомолекулярных летучих органических соединений, способных переходить впарообразное состояние без разложения, анализируют и определяют количественно спомощью метода газовой хроматографии (схема 4). При этом собственногазохроматографическому определению может предшествовать операция извлеченияанализируемых компонентов из водной пробы, их концентрирование и в ряде случаевперевод в их производные, обладающие более высокой летучестью либо меньшейполярностью, чем исходные соединения, и потому более пригодные для анализа спомощью газовой хроматографии (например, органические кислоты обычно переводятв их метиловые эфиры, аминокислоты — в алкиловые эфиры N-трифторацетильныхпроизводных и т.п.). Таким образом оказывается возможным использовать методгазовой хроматографии для определения тех органических веществ, которые впринципе не переходят в пар без разложения вследствие своей высокой полярностиили малой термической устойчивости (например, углеводы).
Схема 4
/>
Метод газовой хроматографии уже в течениедостаточно длительного времени является общепризнанным способом анализа летучихорганических компонентов и следовых примесей водной среды. Опубликованы многочисленныемонографии и оригинальные статьи, описывающие особенности применения методагазовой хроматографии к анализу тех или иных водных объектов.
Как и любой другой аналитический метод,газовая хроматография может дать корректную объективную информацию о составеводных объектов при условии достаточно правильного выполнения предварительныхопераций по отбору представительных проб анализируемых вод, извлечения иконцентрирования подлежащих определению компонентов и их групп и ввода их вхроматографическую систему.
Объектами газохроматографическогоопределения в водных средах могут быть растворенные газы и органическиесоединения 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 предшествующихему операций, обеспечивающих консервацию их состава, должно быть по возможностималым.
Причины изменения состава примесей воднойсреды, определяемых с помощью газовой хроматографии, могут включать следующиепроцессы:
а) потери растворенных газов и наиболеелегколетучих органических компонентов вследствие изменений температуры идавления (например, при нагреве водной пробы от исходной температурыводоисточника до температуры лабораторного помещения);
б) исчезновение некоторых подлежащихопределению примесных компонентов водных проб в результате химических имикробиологических процессов при хранении до проведения анализа (окислениеальдегидов и тиолов, гидролиз ацеталей и галогенопроизводных,микробиологическое расщепление углеводородов нефти и др.);
в) загрязнение проб примесями, извлекаемымииз полимерной тары, используемой при отборе проб и их последующейтранспортировке и хранении (пластификаторы, низкомолекулярные компонентыполимеров и т.п.);
г) загрязнение проб примесями,содержащимися в применяемых для экстракции растворителях;
д) изменение проб в испарителях и колонкахприменяемых хроматографических систем.
Правильно организованныйгазохроматографический анализ должен в возможно более полной степени исключитьвсе перечисленные выше причины изменения состава анализируемых проб. Этой целислужат многочисленные методики анализа, опубликованные в оригинальных работах,а в ряде случаев и включенные в нормативные документы.
Для извлечения определяемых компонентов изводных матриц применяют методы экстракции малыми объемами органическихрастворителей с последующим концентрированием путем отгонки экстрагента (рис.1); твердофазной экстракции с сорбцией определяемых компонентов на адсорбентахс привитой органической неподвижной фазой (углеводородными радикалами от С2H5до С20Н41, либо функционально замещенными фрагментами снитрильными, аминными или диольными группами). Разработаны методы микроэкстракциина единичном стеклянном или кварцевом волокне, покрытом пленкойполисилоксановой неподвижной фазы.
/>
Рис. 1. Типичные хроматограммы нефтяныхзагрязнений, экстрагированных из воды Таганрогского залива: а) — август 1991 г.; б) — октябрь 1991 г.
В пробу анализируемой воды объемом около100 мл (в конической колбе) помещают магнитную мешалку в форме стекляннойтрубки длиной 30 мм и диаметром 2-3 мм с запаянными концами. Внутрь трубки помещаютстальной 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 даннымперемешивание водной пробы такой мешалкой со скоростью несколько сотен оборотовв минуту в течение 10-15 мин при 20 °С приводит к тому, что более 90% всехлипофильных примесей абсорбируется в силиконовой оболочке мешалки. После этогомешалку можно поместить в нагретый испаритель хроматографа для немедленногопроведения анализа либо сохранить ее длительное время в закрытой пробирке длятранспортировки в стационарную лабораторию.
Подобная техника извлечения иконцентрирования малых примесей, названная авторами Stir Bar SorptiveExtraction, несомненно, имеет серьезные перспективы широкого применения.Возможно, что использование таких магнитных мешалок с полимерными покрытиямиразных типов позволит избирательно извлекать из водных проб различные группысоединений, отличающиеся по своей полярности и прочим физико-химическимхарактеристикам.
Для определения состава легколетучихкомпонентов водных проб оказывается плодотворным метод газохроматографическогоанализа равновесного пара и газовой экстракции с улавливанием извлекаемыхвеществ в сорбционных концентраторах и последующим криогенным вводом в капиллярнуюколонку. Таким способом, например, подробно изучен состав хлорсодержащихмикропримесей, образующихся при хлорировании питьевой воды (рис. 2). Приизвлечении микропримесей полярных веществ, хорошо растворимых в воде, применяютметод экстракции полярными водорастворимыми экстрагентами (спиртом, ацетоном) спредварительным насыщением водных проб неорганическими солями (высаливаниехлоридом натрия или сульфатом аммония).
/>
Рис. 2. Хроматограмма летучих органическихсоединений, содержащихся в пробе хлорированной питьевой воды. Капиллярнаяколонка длиной 50 м и диаметром 0,25 мм с силиконовой смазкой«Эдвардс» в качестве неподвижной фазы. Пики, обозначенные цифрами,идентифицированы. Пик 9 – хлороформ
Собственно газохроматографический анализ вбольшинстве случаев в настоящее время осуществляют с применениемвысокоэффективных капиллярных колонок в условиях программирования температурыот 50-100 °С до 300-350 °С (и даже до 400 °С и выше). Скорость нагрева колонокпри этом может изменяться от 3-5 до 20-30 град/мин в зависимости от характераразделяемых компонентов.
Идентификацию пиков на хроматограммахвыполняют с применением известных хроматографических зависимостей индексовудерживания от температур кипения и от молекулярной массы веществ. Для той жецели применяют селективные детекторы (например, электронно-захватный), термоионныехемилюминесцентные, атомно-абсорбционные, масс-селективные и др.
Наиболее полную информацию о молекулярномстроении определяемых веществ позволяют получить методыхромато-масс-спектрометрии и газовой хроматографии с ИК-Фурьеспектроскопическим детектором. Особенно плодотворным оказалось использованиеэтих двух методов при определении пестицидов, полихлорированных бифенилов,диоксинов и им подобных веществ, продуктов распада токсичных ракетных топлив ибоевых отравляющих веществ в объектах окружающей среды (рис. 3).
/>
Рис. 3. Хроматограмма воды реки Оук Крик(США), содержащей пестициды: 1 — Дикамба (4,7 мкг/л); 2 — 2,4-D (7,0 мкг/л); 3- Силвекс (4,5 мкг/л); 4 — 2,4,5-Т (5,2 мкг/л); 5 — Пиклорам (3,3 мкг/л); 6 — внутренний стандарт
В ряде случаев применение селективныхдетектирующих систем позволяет не только повысить чувствительность определенияцелевых компонентов, но и выявить источники загрязнения водной среды. Так,например, применение хемилюминесцентного озонового детектора с высокойспецифической чувствительностью к веществам, содержащим серу, позволяетзафиксировать профиль серосодержащих соединений нефти и нефтяных топлив. Этикомпоненты значительно более устойчивы в водной среде, чем углеводородные составляющиенефтепродуктов, поэтому совпадение таких профилей позволяет с большой степеньюдостоверности указать источник нефтяного загрязнения данного водного бассейна(рис. 4), .
/>
Рис. 4. Хроматограммы: а) — серосодержащихкомпонентов нефтяного загрязнения морской воды (район г. Таганрога); б) — судового дизельного топлива.
Кварцевая капиллярная колонка длиной 25 м и диаметром 0,25 мм с полидиметилсилоксаном SE-54 в качестве неподвижной фазы. Программированиетемпературы от 60 до 280 °C cо cкоростью нагрева 10 град/мин: 1 — метилбензотиофены; 2 — диметилбензотиофены; 3 — дибензотиофен; 4 — метилдибензотиофены; 5 – диметилдибензотиофены
Большие возможности газохроматографическогоанализа в настоящее время определенно позволяют осуществить достаточно полныйанализ водных проб практически любого происхождения, в том числе питьевых,речных, озерных и морских вод, сточных вод коммунальных систем и промышленныхпредприятий.
В ряде случаев такие анализы могут бытьпроведены в полевых условиях непосредственно в местах отбора проб. Тем неменее, пока не существует методов, позволяющих провести полный анализ водныхпроб в единой системе без проведения предварительных лабораторных операций,часто трудоемких и длительных.
Перспективными для создания таких методовследует считать хроматографические системы с использованием в качествеподвижных фаз парообразных и сверхкритических сред (в том числе паров воды).
Широко используется газовая хроматографиятакже и для анализа объектов внутренней водной среды. При этом применяется весьарсенал технических приемов, разработанных за 50 лет развития газовойхроматографии: высокоэффективные капиллярные колонки, высокочувствительныеселективные детекторы, комбинированные аналитические системы, сочетающие газовуюхроматографию с масс-спектрометрией и с ИК-спектроскопией сФурье-преобразованием.
В этой области сложились два основныхнаправления аналитических исследований. С одной стороны, это изучение составаестественных сред организма (плазмы крови, мочи, слюны, спинно-мозговойжидкости и др.) с целью выявления изменений этого состава в зависимости отфизиологических особенностей организма, наличия патологических изменений и томуподобных факторов.
В настоящее время это направлениегазохроматографического анализа внутренней водной среды организма отражено вряде руководств и монографий. Показано, что во многих случаях газохроматографическийанализ позволяет выявить на ранней стадии целый ряд заболеваний и таким образомускорить их лечение (рис. 5). При таких исследованиях широко используют экстракциюцелевых компонентов растворителями, твердофазную экстракцию и метод анализаравновесного пара (рис. 6).
/>
Рис. 5. Метаболический профиль стероидов измочи пациента с опухолью яичника, секретирующей тестостерон. Идентифицированывсе компоненты. Увеличенное содержание компонентов 1, 2, 4 и 7 указывает наналичие опухоли (1 — андростерон; 2 — этиохоланон; 4 — 11b-оксиандростерон; 7 — прегнантриол)
/>
Рис 6. Хроматограмма летучих органическихсоединений мочи, полученная на капиллярной колонке с полисилоксановойнеподвижной фазой БС-2 в условиях программирования температуры: 1 — ацетон; 3 — этанол; 6 — 2-пентанон; 7 — н-пропанол; 10 — диметилдисульфид;13 — 4-гептанон;14 — н-бутанол; 15 — 2-гептанон; 29 — пиррол; 45 – карвон
Вторым важным направлением в анализеобъектов внутренней водной среды является выявление чужеродных для организмасоединений (фармацевтических препаратов, разного рода ядов, алкоголя, других наркотическихвеществ и т.п.). Так, применение высокочувствительного термоаэрозольногодетектора, избирательно регистрирующего азотсодержащие соединения, позволилорегистрировать противосудорожные лекарственные средства в крови детей, больныхэпилепсией, даже через 3-5 дней после их применения (рис. 7). Аналогично, спомощью селективного термоионного детектора с высокой чувствительностьюрегистрировали в плазме крови наличие анестезирующего препарата кетамина,находящего, к сожалению, довольно широкое применение в качестве галлюциногенногонаркотика (рис. 8).
/>
Рис. 7. Хроматограмма 0,1% растворапротивоэпилептических лекарственных средств. Кварцевая капиллярная колонкадлиной 10 м и диаметром 0,25 мм с полисилоксаном OV-17 в качестве неподвижнойфазы: 1 — этанол; 2 — фенобарбитал; 3 — гексамидин; 4- дифенин
/>
Рис. 8. Хроматограмма смеси компонентовплазмы крови, содержащей кетамин: а) — пламенно-ионизационный детектор; б) — термоионный детектор; 1 — кетамин; 2 — внутренний стандарт
Подобным же способом пригазохроматографическом анализе проб плазмы крови, мочи или слюны могут бытьопределены несколько сотен других наркотиков, веществ, используемых в качестведопинга в спортивных соревнованиях, и анаболических стероидов, запрещенных купотреблению международными спортивными организациями.
Все перечисленные выше достижениягазохроматографического метода в области анализа объектов водной среды все ширепроникают из области научного эксперимента в сферы, непосредственно связанные смногими сторонами жизни современного общества. К таким областям можно отнестиизучение состояния окружающей среды, контроль качества питьевой воды,сельскохозяйственной продукции и пищевых продуктов, клиническую медицину,криминалистику и ряд других.
Определение полиароматических углеводородовв объектах окружающей среды методами жидкостной и тонкослойной хроматографии[14]
Было определено содержаниеполиароматических углеводородов (ПАУ), в частности, бенз(а)пирена в снежномпокрове. Пробоподготовку осуществляли экстракцией диэтиловым эфиром.Качественный анализ осуществляли методом тонкослойной хроматографии. Пробынаносили на пластину Silufol UV-254 и осуществляли хроматографический анализ вдвух системах: система 1 — раствор кофеина в хлороформе; система 2 — смесь циклогексанаи н-гексана. Использование системы 1 позволило снизить нижний пределобнаружения.
Количественный анализ осуществляли методомгазожидкостной хроматографии (ГЖХ). Исследование проводили на хроматографе«Цвет-500» с пламенно-ионизационным детектором. В качестве сорбентаиспользовали силиконовый каучук SE-54 с нанесенной на него неподвижной фазойOV-101. Анализ проводили в режиме программирования температуры от 200 до 310С со скоростью 4 С /мин. В качестве газа-носителя использовали азот.Метод позволил определить ПАУ на уровне ПДК.
Глава 4.Современное аппаратурное оформление
/>
Портативныехроматографы Agilent Micro-GC
Портативныегазовые хроматографы (ГХ), занимая существенно меньше места по сравнению слабораторными газовыми хроматографами, обеспечивают при этомсопоставимое качество анализов. Небольшие, размером с коробку из-под ботинок,Микро газовый хроматограф позволяют анализировать компоненты вконцентрациях порядка одна часть на миллион (ррт) за несколько секунд — вдесятки раз быстрее, чем обычные лабораторные газовые хроматографы.Микро газовые хроматографы предназначены для анализа газовыхсмесей или веществ с низкой температурой кипения (до 90 С) непосредственно вцехах, «у реактора». В корпус газового хроматографас наибольшим размером 46 см помещаются до 4 хроматографических модулей. Микро газовыйхроматограф характеризуется высокой производительностью его легкопереносить, он быстро приводится в рабочее состояние. Это идеальный хроматограф,для получения быстрых результатов, например, при контролировании процессов вопытных установках, или, когда необходимо убедиться в однородности множестваобразцов газовых смесей. Использование модема позволяет передавать информацию,полученную от микро газового хроматографа по телефонным линиямна большие расстояния.
Революционноеповышение производительности газового хроматографа
Миниатюризацияинжекторов и детектора по теплопроводности обусловила использование в микро газовомхроматографе коротких и очень тонких капиллярных колонок, что болееповысило эффективность процесса разделения. Это дает возможностьпроанализировать, например, природный газ (СГС10) за время не более 150 сек,смеси неорганических газов с серосодержащими газами — менее чем за 30 сек,смеси легколетучих соединений -за 50 сек, а сложную смесь нефтезаводских газов-за 160 сек. Наличие миниатюрной схемы разделения с обратной продувкойпозволяет микро газовому хроматографу анализировать смеси,содержащие тяжелые компоненты, и быть готовым к началу следующего такого анализауже через 2-3 минуты. Сокращение времени анализа в десятки раз приводит креволюционному скачку в повышении производительности труда, помогает быстреепринимать правильные решения на производстве.
/>
Микро-технологияна монокристаллах кремния
Благодаряразвитию микротехнологии в производстве газового хроматографаосновные его узлы изготавливаются на основе монокристаллического кремния:инжектор с вентилями, система обратной продувки и универсальный детектор потеплопроводности. Эти основные узлы, а также колонка сравнения и рабочаяколонка и термостат собраны в один механический прочный высокопроизводительныймодуль.
Каждый газовыйхроматограф может быть составлен из нескольких (до четырех) независимоуправляемых модулей, сочетающих высокую скорость анализа с точностьюрезультатов, требуемых в промышленности. Отсутствие подвижных частей винжекторе делает всю систему исключительно надежной и долговечной.
Десятькомпонентов – менее чем за 120 сек!
/>
Литература
1. Жуховицкий А.А., Туркельтауб Н.М. Газоваяхроматография. М.: Гостоптехиздат, 1962, 240 с.
2. Сакодынский К.И., Киселев А.В., ИогансенА.В. и др. Физико-химическое применение газовой хроматографии. М.: Химия, 1973.- 254 с.
3. Жидкостная колоночная хроматография. В 3 т./ Под ред. З.Дейла, К.Мацека, Я.Янака. М.: Мир, 1972. – 439с.
4. Березкин В.Г., Алишоев В.Р., НемировскаяИ.Б. Газовая хроматография в химии полимеров. М.: Наука, 1972. — 287 с.
5. Морозов А.А. Хроматография в неорганическоманализе. М.: Высш. шк., 1972. — 233 с.
6. Березкин В.Г., Бочков А.С. Количественнаятонкослойная хроматография. М.: Наука, 1980. — 183 с.
7. Лабораторное руководство похроматографическим и смежным методам. В 2 т. / Под ред. О.Микеш. М.: Мир, 1982,т. 1–2, 783 с.
8. Кирхнер Ю. Тонкослойная хроматография. В 2т. М.: Мир, 1981, т. 1, 615 с.; т. 2. — 523 с.
9. Экстракционная хроматография. / Под ред.Т.Браун, Г.Герсини. — М.: Мир, 1978. — 627 с.
10. Скуг Д., Уэст Д.Основы аналитической химии / Пер. с англ. В 2 т. М.: Мир, 1979. – 324с.
11. Гольдберг К.А.,Вигдергауз М.С. Введение в газовую хроматографию. М.: Химия, 1990. – 278с.
12. Хмельницкий Р.А.,Бродский Е.С. Хромато-масс-спектрометрия. М.: Химия, 1983. – 280с.
13. Горелик Д.О.,Конопелько Л.А., Панков Э.Д. Экологический мониторинг. В 2 т. СПб.: Крисмас,2002. – 457с.
14. Назаркина С.Г. Определение полиароматических углеводородовв объектах окружающей среды методами жидкостной и тонкослойной хроматографии.
15. Хроматографический анализ окружающей среды./ Под ред. Р.Гроба. М.: Мир, 1979. — 606 с.