Содержание к диссертации
Введение
1. Идентификация органических соеди-нений в объектах окружающей среды на основе использования индексов удерживания (обзор литературы) 10
1.1 Системы хроматографических индексов удерживания 10
1.2 Базы данных по индексам удерживания и возможности их использования в анализе пробы неизвестного состава и при определении целевых соединений 24
2. Общая характеристика объектов и методов исследования 27
3. Идентификация по индексам удерживания и разработка методического обеспечения для контроля приоритетных органических загрязнителей воздуха 33
3.1 Правильность и воспроизводимость определения индексов удерживания при программировании температуры 33
3.2 Стандартизация подходов к применению данных по ИУПТ для идентификации органических веществ в экоаналитических исследованиях 49
3.3 Использование индексов удерживания в идентификации органических веществ при анализе «пробы неизвестного состава» 62
3.4 Разработка, аттестация и апробация унифицированных методик контроля приоритетных органических загрязнителей воздуха 82
3.5 Результаты применения разработанных методик к анализу воздуха и пути их расширения к анализу других объектов 108
3.6 Заключение 124
Выводы 127
Литература
- Базы данных по индексам удерживания и возможности их использования в анализе пробы неизвестного состава и при определении целевых соединений
- Общая характеристика объектов и методов исследования
- Стандартизация подходов к применению данных по ИУПТ для идентификации органических веществ в экоаналитических исследованиях
- Разработка, аттестация и апробация унифицированных методик контроля приоритетных органических загрязнителей воздуха
Введение к работе
Проблема контроля за степенью загрязнения окружающей среды -воздуха, почвы, воды относится к ряду важнейших задач современной аналитической химии. Решение этой проблемы связано со значительными трудностями, обусловленными постоянным ростом количества продуктов промышленного синтеза, объемов производства и применения химикатов, развития энергетики и транспорта, приводящих к увеличению поступающих в окружающую среду новых соединений, в том числе и особо токсичных.
Химические соединения в объектах окружающей среды (ООС) образуют сложные смеси, часто присутствуют в образцах в очень малых количествах, поэтому методы анализа должны обладать высокой чувствительностью, специфичностью и информативностью, что позволяло бы идентифицировать и количественно определять большую гамму веществ различных классов на уровне концентраций 10" -10" %.
Особого внимания в этой связи заслуживает проблема идентификации, решение которой является ключевым моментом при выполнении самых разных аналитических работ. Необходимо отметить, что широко используемый термин "идентификация" не является вполне однозначным и зачастую несет различную смысловую нагрузку. Целесообразно вьщелить два основных аспекта понятия "идентификация":
идентификация в смысле установления того, что наблюдаемый аналитический сигнал соответствует определяемому известному веществу;
идентификация в смысле установления природы и (или) структуры вещества, обусловливающего наблюдаемый аналитический сигнал.
Идентификация на основе хроматографических параметров удерживания широко используется в практике газовой хроматографии (ГХ). Наиболее воспроизводимой формой их представления являются хроматографические индексы удерживания (ИУ). Для эффективного использования информации по ИУ необходимо развитие и пополнение баз
6 данных, разработка соответствующих алгоритмов работы с ними, формирование критериев надежности идентификации на основе использования индексов удерживания. Накопленная таким образом информация (в том числе и по индексам удерживания, определяемым в условиях программировании температуры — ИУПТ) могла бы использоваться как при проведении идентификации в анализе "пробы неизвестного состава" (в дополнение к спектральным данным), так и при проведении идентификации в "целевом" анализе, то есть при определении индивидуальных соединений.
Значения ИУ, определяемых в условиях программирования температуры на заданной неподвижной фазе, зависят как от условий измерения базовых параметров для расчета ИУ (времен удерживания), так и от используемого метода расчета. Следует отметить, что несмотря на многообразие методов для расчета ИУ в газовой хроматографии с программированием температуры (ГХПТ), единого общепринятого метода расчета не существует. В ГХПТ существует проблема, связанная с тем, что для одних и тех же веществ использование различных условий анализа и разных методов расчета может давать существенно различающиеся значения ИУПТ. Получение несопоставимых результатов вызывает трудности с представлением данных по ИУПТ. Отсутствие возможности оценки значений ИУПТ является одной из причин, затрудняющих формирование баз данных по ИУПТ, а, следовательно, ограничивает возможности их межлабораторного использования.
Решение вопросов надежности идентификации на основе ИУПТ требует проведения дополнительных исследований, связанных с поиском способов повышения воспроизводимости ИУПТ. Поэтому разработка подходов и принципов использования характеристик удерживания для идентификации веществ в экоаналитических исследованиях, представляется своевременной и актуальной.
Базы данных по индексам удерживания и возможности их использования в анализе пробы неизвестного состава и при определении целевых соединений
Объем химической информации растет чрезвычайно быстро, при этом она разбросана по большому числу источников, включая научные журналы, доклады, материалы конференций, книги и пр. Базы данных, относящиеся к области химической информатики, становятся бесценным источником, позволяющим собирать информацию, изучать, сравнивать, классифицировать и т.д. Информация о хроматографических индексах удерживания, систематизированная в базу данных, может применяться в качестве дополнительной к имеющимся масс- или ИК-спектрам для получения надежного ответа при идентификации неизвестных соединений. Сведения по индексам удерживания могут быть применены и для самостоятельной идентификации при проведении регулярного контроля уже известных соединений. Однако, несмотря на большой интерес к параметрам удерживания как к средству идентификации, до сих пор ощущается нехватка доступных коммерческих баз данных по ИУ. Кроме того, не все библиотеки существуют в электронной форме, следует упомянуть наиболее часто цитируемые из них, - это "GC Identifier" (известная как библиотека Садтлера, "Pro ez GC" (Analytical Innovation) и Pfleger спектральная библиотека на базе HP work-station [46].
Библиотека по индексам удерживания Садтлера по данным [47] включает данные о 2000 веществ. Перечень охарактеризованных ИУ структур включает полициклические ароматические соединения, фталаты, алкиламины, фосфаты, эфиры жирных кислот, алкилбензолы, алкил- и бензилкетоны, алкилированные спирты, хлоралканы и хлорбензолы, бромалканы и бромбензолы.
Кроме библиотеки Садтлера, значительный объем информации по ИУ был опубликован Дженнингс и Шибамото [48]. Перечень включает 1186 веществ в интервале индексов удерживания от 350 до 2155 на колонке с неподвижной фазой OV-101 и включает эфиры жирных кислот, алкил- и бензилкетоны, алкилированные спирты, алкилбензолы, алкилтиофены, алкилфураны, алкилтиазолы, алкилпиразины, монотерпены и сесквитерпены.
Существует немало примеров функционирования комплексных банков, содержащих как спектральную, так информацию по ИУПТ. Одной из наиболее обширных по численности библиотек является массив данных, опубликованных Пфлегером и соавт. [49], включающий сведения о спектральных характеристиках и ИУ лекарственных и токсичных веществ и их метаболитов.
Примером комплексного банка также может служить банк данных по масс-спектрам и ИУ Ковача "SPECMA", разработанный специально для идентификации компонентов запаха и летучих душистых веществ [50].
Известны и менее многочисленные (по числу соединений), но не менее важные по своему значению базы данных, среди которых необходимо назвать базу данных хроматографических индексов удерживания галогенпроизводных простейших углеводородов, включающая 114 значений ИУ для фтор-, хлор- и бромпроизводных метана, фтор- и хлорпроизводных этана и этилена на неполярном сорбенте порапаке Q и полярном силипоре 600 [26].
Комплексный подход для идентификации органических загрязнителей воздуха, предполагающий использование усредненных значений ТПИУ в комбинации с 8 основными пиками масс-спектра вещества положен в основу банка данных, разработанного в СПбГУ, на 583 вещества класса летучих органических соединений (ЛОС), присутствующих в атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны [51].
Каждая из существующих баз аналитических данных постоянно пополняется, приобретая, таким образом, все более универсальный характер. Отмечено, что создание подробных баз данных не может базироваться только на экспериментальных результатах, главным образом в силу существования целого ряда труднодоступных органических веществ. В связи с этим, для пополнения баз данных наряду с рандомизованными значениями ИУПТ вносятся значения ИУПТ, пересчитанные по временам удерживания с использованием в качестве реперных соединений любых других органических веществ, а также индексы, рассчитанные на основе температур кипения веществ с помощью линейно-логарифмических корреляционных уравнений в пределах различных таксонометрических групп. Сформированная И.Г.Зенкевичем база данных СПБГУ, пополненная с использованием приемов, описанных выше, насчитывает данные по ИУПТ более чем для 30 тыс. веществ [52].
Выбор анализируемых объектов обусловлен необходимостью проведения мониторинга за состоянием окружающей среды. ИУПТ использовали смесь н-алканов С9-С23 с концентрацией 0.1 мг/см .
Определение ИУПТ проводили на газовых хроматографах с пламенно-ионизационными детекторами "Микромат HRGC-412" фирмы "Нордион" (Финляндия) с двухколоночной системой ввода и НР5890А фирмы "Хьюлетт-Паккард" (США). В работе были использованы капиллярные колонки с неполярными диметилсилоксановыми неподвижными фазами, характеристики которых приведены в таблице 1:
Общая характеристика объектов и методов исследования
1 ноября 2002 г. в Российской Федерации введен в действие комплекс из шести государственных стандартов ГОСТ Р ИСО 5725 (ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 - ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002), в которых детально и конкретно изложены основные положения и определения показателей точности методов измерений и результатов измерений, способы экспериментальной оценки показателей точности и использования значений точности на практике[53].
Согласно ГОСТ РИСО 5725-1-2002 «правильность» определяется как степень близости результата измерений к истинному или условно истинному значению измеряемой величины, в качестве которой для н-алканов служит теоретическое значение ИУПТ. Показателем правильности является значение систематической погрешности. В свою очередь, применительно к ИУПТ других веществ, применимы термины «прецизионность» как степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных установленных условиях и «воспроизводимость» как прецизионность в условиях, при которых результаты измерений получают одним и тем же методом, на идентичных объектах испытаний, в разных лабораториях, разными операторами, с использованием различного оборудования. Мера прецизионности обычно вычисляется как стандартное (среднеквадратическое) отклонение результатов измерений, выполненных в определенных условиях. Экстремальными показателями прецизионности являются повторяемость (сходимость) и воспроизводимость. Известно, что значение ИУПТ зависит как от используемого метода расчета, так и от условий эксперимента, в которых осуществляется хроматографическое разделение. Совокупность факторов, влияющих в целом на параметры удерживания, согласно классификации Вигдергауза и соавт. [17] может быть разделена на три основные группы: коэффициент распределения в системе газ-неподвижная фаза; факторы, сдвигающие фазовое равновесие (температура колонки, нелинейность изотермы адсорбции, природа газа-носителя) и факторы, не влияющие на коэффициент распределения, но определяющие время пребывания сорбата в колонке - объем газовой фазы в колонке, скорость газа-носителя, перепад давления вдоль колонки и т.д. Указанные факторы в той или иной мере оказывают влияние на точность и воспроизводимость определения ИУПТ. Исследованиям в этом направлении в последние годы уделяется значительное внимание [54-57]. Особое значение эти работы приобретают в связи с решением задач создания компьютерных банков данных, соответствующих алгоритмов работы с ними и, таким образом, возникающей необходимостью обеспечения воспроизводимости характеристик удерживания.
Нами изучено влияние ряда параметров хроматографического разделения, включая температурные режимы, скорость газа-носителя, размеры используемых капиллярных колонок на правильность и воспроизводимость определения ИУПТ.
Как известно, индекс удерживания является интерполяционной величиной, приведенной к шкале реперных соединений, чаще всего н— алканов, которым приписываются значения индексов удерживания, равные 100 л, где п - число атомов углерода в молекуле. При сравнении методов расчета и оценке влияния параметров эксперимента на значения ИУПТ, используют смеси модельных веществ различных классов [58,59]. Применение таких подходов позволяет оценить воспроизводимость значений, являющихся результатом применения разных методов расчета, однако не дает представления о правильности получаемых ИУПТ. В этой связи, представляется целесообразным использование в качестве как моделей, так и реперных соединений тех же н-алканов, для которых по определению правильными значениями ИУПТ будут величины, равные 100п. Соответственно, в качестве меры правильности ИУПТ можно считать систематическую погрешность определения ИУПТ - величину AI, представляющую собой расхождение между значением индекса, полученным экспериментально (ЛКСТІЛ и его теоретическим значением
Таким образом, в настоящей работе при исследовании влияния параметров хроматографического разделения на правильность ИУПТ в качестве модельных соединений использовали н—алканы, а в качестве характеристик правильности и повторяемости - величины ЛІ и «% (среднеквадратичное стандартное отклонение). В качестве основного метода расчета ИУПТ использовали интерполяцию полиномами третьей степени (МКП), которая, согласно имеющимся литературным данным [20,60], наиболее адекватно описывает функцию I=f(Rj), включая режимы ступенчатого программирования температуры.
В большинстве работ [20,60,18], посвященных определению ИУПТ, применяют температурные программы со сравнительно невысокими скоростями нагрева колонки. В настоящей работе, для того, чтобы более четко определить границы получения правильных значений индексов удерживания для н-алканов, хроматографическое разделение осуществляли в приведенных в табл.2 (разд.2.1.) температурных программах с достаточно высокими скоростями подъема температуры.
На первом этапе работы было проведено сравнение результатов, получаемых в режиме линейного программирования температуры при использовании для расчетов различного числа реперных соединений и двух широко известных методов расчета ИУПТ: Ван Ден Доола и МКП. Представленные в табл.3 результаты, согласуются с данными работы [18] и свидетельствуют о том, что наименьшие значения АІ получены при расчете методом кубических парабол. Одновременно, увеличение числа реперных соединений также позволяет значительно снизить систематическую погрешность определения ИУПТ.
Стандартизация подходов к применению данных по ИУПТ для идентификации органических веществ в экоаналитических исследованиях
Привлечение информации по параметрам удерживания, в частности по хроматографическим индексам удерживания, во многих случаях оказывается чрезвычайно необходимым и полезным, в первую очередь для соединений, имеющих близкие масс-спектры.
Основными условиями формирования и последующего адекватного функционирования баз данных любых аналитических параметров являются наличие экспериментальных или расчетных данных, а также получение воспроизводимых характеристик, аналогичных тем, которые закладываются в базу данных.
Непосредственный доступ к компьютеризированным информационным системам позволяет достигнуть больших успехов в области качественного анализа и находит все большее применение в экоаналитических исследованиях.
Сопоставление ИУПТ, полученных в неидентичных условиях. Причины различий ИУ одних и тех же соединений, определенных в неидентичных условиях, связаны как с особенностями измерений первичных параметров, так и с применяемым методом расчета. Главными из них являются:
Вариации ИУ за счет факторов группы А обычно преобладают. Влияние особенностей расчета вполне устранимо за счет усовершенствования используемых методов [61].
Сопоставление газохроматографических данных, полученных в неидентичных условиях, может быть основано на различных принципах. Наиболее целесообразным подходом в данном случае может служить принцип рандомизации полученных значений из разных литературных источников. Статистическая обработка данных по этому принципу гарантирует попадание полученного экспериментально значения ИУ в некий интервал, составляющий для неполярных полидиметилсилоксановых фаз в среднем 5-10 единиц индекса (е.и.), и для полярных полиэтиленгликолей 15-25 е.и. [62]. Однако, при идентификации компонентов сложных многокомпонентных смесей, каковыми являются образцы объектов окружающей среды, подобный подход часто может быть неприемлем, особенно для области значений ИУ 500, поскольку число органических соединений в различных диапазонах области значений ИУ при 1 и12(«- число атомов С в соединении) меняется от 0 до 108 [26]. Это число отражает число альтернативных вариантов при сопоставлении полученных экспериментальных данных с литературными значениями ИУ. Для того чтобы подобрать оптимальные условия, в пределах которых полученное значение будет наиболее воспроизводимым, целесообразно проведение оценки значений ИУПТ по величинам AI для реперных соединений. Вероятно, что выборка значений ИУПТ, полученных таким образом и подлежащих впоследствии рандомизации будет отягощена гораздо меньшей погрешностью.
Решение задач идентификации основано, как правило, на обращении к информационно-поисковым системам каких-либо информативных аналитических параметров, в качестве которых чаще всего используют масс-или ИК- спектры веществ, реже параметры удерживания. Существует ошибочное мнение о том, что для получения правильных ответов при идентификации вполне могут обеспечить масс-спектры. Однако, как показала практика, такой подход не всегда приемлем и может привести к большому числу ошибок. Так, например, результаты ГХ/МС и ГХ/ИКФС идентификации 56 приоритетных органических загрязнителей окружающей среды после их контроля с помощью базы данных по индексам удерживания свидетельствует о том, что в 13 случаях (23% всех ответов) необходимо уточнение структуры вещества [63]. Сопоставление значений из независимых источников информации позволяет наиболее эффективно выявлять ошибки в базах данных.
В ходе настоящей работы была проведена оценка возможности привлечения литературных значений параметров удерживания в целях пополнения баз данных после их соответствующей обработки в соответствии с критерием правильности для н—алканов.
Значения ИУПТ, приведенные в литературных источниках для одного и того же соединения могут существенно отличаться. Проведение идентификации с использованием этих значений также может быть проблематичным. В табл. 10 приведены значения ИУПТ на стандартных неполярных полидиметилсилоксановых неподвижных фазах из разных литературных источников.
Разработка, аттестация и апробация унифицированных методик контроля приоритетных органических загрязнителей воздуха
С применением для детального исследования органических соединений в объектах ООС коммерчески доступных, стандартизованных капиллярных хроматографических колонок с неподвижными фазами различной полярности, с высокой эффективностью разделения, открылась возможность разработки унифицированных методик, охватывающих максимально широкий спектр определяемых компонентов и тем самым позволяющих сузить число методик анализа контролируемых веществ в ООС [105].
Учитывая то, что в окружающей среде могут присутствовать органические соединения разных классов в различных агрегатных состояниях, для их отбора используют разные технические приемы: газовая и жидко жидкостная экстракции, если исследуемым образцом является воздух, то часто практикуют отбор в специальные контейнеры. В последние 10-15 лет широко используется (преимущественно для анализа воздушных загрязнений) метод концентрирования микропримесей на различные пористые полимерные сорбенты.
Методы анализа, основанные на предварительном концентрировании органических примесей из воздуха на твердые сорбенты (силикагели, активные угли, полимерные сорбенты, графитированные сажи и др.) представляются одними из самых перспективных, примеры их использования достаточно часто встречаются в литературе [97, 98,101,105]. Адсорбируемые вещества извлекаются из концентратора экстракцией органическими растворителями, либо термодесорбцией их в хроматографическую колонку. Следует отметить, что экстракция сконцентрированных примесей растворителями является, по сути, разбавлением пробы, что ведет в свою очередь к снижению чувствительности анализа, в связи с чем термодесорбция потоком газа-носителя является менее трудоемкой и предпочтительной. При этом необходимо отметить, что если в случае с насадочными колонками возможно прямое соединение колонки и термодесорбера, при термодесорбции в капиллярную колонку наблюдается эффект размывания хроматографических зон, характерный для легколетучих органических соединений. Для решения этой проблемы, между стадиями термодесорбции и разделением веществ в колонке в подавляющем большинстве методик вводится дополнительная стадия перехода сконцентрированных примесей с твердого сорбента на охлажденный участок колонки, названная криофокусированием. Таким образом, недостаток капиллярных колонок, в применении их к анализу воздушных загрязнений, состоит в невозможности введения в них проб больших объемов, а также в значительном неудобстве и увеличении продолжительности анализа в связи с криофокусированием термодесорбируемых компонентов.
С появлением на рынке кварцевых высокоемких капиллярных колонок (диаметром до 0.75 мм, с толщиной пленки неподвижной фазы до 7 мкм), возник повышенный интерес к ним, связанный с тем, что эти колонки, обладая всеми свойствами капиллярных колонок (высокой эффективностью разделения, хорошей воспроизводимостью параметров удерживания) позволяют работать при больших расходах газа-носителя, вводить пробы объемом до 1 см3, т.е. фактически сочетают в себе возможности как насадочных, так и капиллярных колонок. В связи с этим, целью настоящего раздела работы являлось изучение возможности разделения ЛОС на высокоемких капиллярных колонках при термодесорбции их с твердого сорбента непосредственно в хроматографическую колонку, исключая при этом стадию криофокусирования, и с последующей разработкой на этом материале методик для анализа ЛОС в воздухе. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: выбрать оптимальный сорбент для концентрирования микропримесей из воздуха; оценить эффективность использования капиллярных колонок большого диаметра при проведении термодесорбции ЛОС; сформировать предварительный перечень компонентов, целесообразный для включения в разрабатываемый методический материал; оценить метрологические и технические характеристики методик, провести их аттестацию в органах Госстандарта.
Применяемые для концентрирования сорбенты должны обладать по крайней мере двумя основными свойствами: большой сорбционной емкостью при температуре окружающей среды по указанным примесям и малой сорбционной емкостью при температуре десорбции или в среде растворителя. Подбор подходящих сорбентов представляет собой трудоемкую задачу, причем тип сорбента сильно зависит от химической природы определяемой примеси. В ходе совместных работ с Государственным научно-исследовательским институтом химических реактивов и особо чистых веществ НПО ИРЕА, по нашему заказу был разработан пористый полимерный сорбент для концентрирования летучих органических соединений из воздушных сред на основе полидифенилфталида (ПДФ-1). Показано, что он термостабилен до 420С (потеря веса при температуре 420С составляет менее 5%), активное разложение его начинается при температуре выше 470С. Удельная поверхность сорбента составляет 100 м г, объем пор - 1,4 см г, средний радиус пор - 100-200 А. По своим свойствам он наиболее приближен к пористому полимерному сорбенту Тенакс GC, выпускаемому за рубежом. Сравнительные характеристики полимерных сорбентов ПДФ-1 и Тенакс GC по удельным объемам удерживания приведены в табл. 19.
