Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 13
1.1. Общепринятые подходы к концентрированию при анализе вод на содержание полярных органических соединений 13
1.1.1, Жидкость-жидкостная экстракция 13
1.1,2. Твердофазная экстракция 18
1.2. Другие подходы к концентрированию полярных соединений из воды 23
1.3. Ограничения и недостатки общепринятых методов выделения и концентрирования органических соединений из воды 27
1.4. Сверхкритическая флюидная экстракция 28
1.4.1. Сверхкритическое состояние вещества 29
1.4.2. Свойства сверхкритических флюидов как экстрагирующих фаз 30
1.4.3. Методы исследования растворимости и коэффициента фазового распределения определяемых веществ в системе жидкость -сверхкритический флюид 34
1.4.4. Сверхкритическая флюидная экстракция полярных органических соединений 37
1.4.5. Подходы к аналитическому применению сверхкритической флюидкой экстракции органических соединений 40
1.4.5.1. Прямая сверхкритическая флюидная экстракция из воды в органический растворитель 41
1.4.5.2. Прямая сверхкритическая флюидная экстракция без использования органических растворителей 42
1.5. Сверхкритическая флюидная экстракция как метод пробоподготовки и концентрирования при определении следовых количеств органических соединений в воде 43
ГЛАВА 2. Исходные вещества, аппаратура, методика эксперимента и обработка результатов измерений 45
2.1. Исходные вещества и реагенты 45
2.2. Аппаратура и техника эксперимента 53
2.3. Методика эксперимента 54
2.3.1, Приготовление растворов модельных соединений 54
2.3.2. Сверхкритическая флюидная экстракция 55
2.3.2.1. Статический режим 55
2.3.2.2. Динамический режим 55
2.3.2.3. Сбор экстракта 57
2.3.3, Газохроматографический анализ экстрактов 58
2.3.4. Хромато-масс-спектрометрический анализ экстрактов 60
2.4. Обработка результатов измерения 61
ГЛАВА 3. Исследование условий количественного сбора и переноса экстракта в хроматографическую колонку без использования органического растворителя 63
3.1. Газохроматографический анализ экстрактов 64
3.1.1. Оптимизация условий разделения исследуемых соединений на хроматографической колонке и оценка пределов детектирования 64
3.1.2. Ввод соединений в хроматограф при помощи сорбционного устройства 69
3.2. Улавливание исследуемых соединений иа сорбционное устройство после СФЭ 73
ГЛАВА 4, Исследование условий прямой сфэ следовых количеств полярных органических соединений из водных растворов 79
4.1. Условия распределения следовых количеств полярных органических соединений между водной и флюидной фазами 80
4.1.1. Определение времени сдува флюида для количественного переноса модельных соединений на сорбционный картридж 80
4.1.2. Определение времени достижения равновесия 82
4.1,3. Зависимости коэффициентов распределения от температуры, давления и природы флюида 84
4.2. Влияние температуры и давления на скорость экстракции 87
4.3. Влияние природы флюида на скорость экстракции 100
ГЛАВА 5, Анализ образцов воды 110
5.1. ГХ/МС анализ зкстраістов 111
5.2. Контроль качества 125
Заключение 130
Выводы 132
Список литературы 134
- Другие подходы к концентрированию полярных соединений из воды
- Сверхкритическая флюидная экстракция как метод пробоподготовки и концентрирования при определении следовых количеств органических соединений в воде
- Обработка результатов измерения
- Улавливание исследуемых соединений иа сорбционное устройство после СФЭ
Введение к работе
Анализ водных образцов на содержание следовых количеств полярных органических соединений является не только одной из основных проблем контроля за загрязненинем окружающей среды, но и также ключевым моментом в биохимических и микробиологических исследованиях. Многие средне- и сильнополярные соединения обладают сильным канцерогенным эффектом и их содержание в питьевой воде очень жестко нормируется государственными организациями на ультранизком уровне. Определение умереннооласных и неопасных полярных соединений, таких как спирты, диолы, кислоты, позволяет осуществлять количественную оценку и мониторинг развития многих микроорганизмов, а также проводить их идентификацию по продуктам метаболизма и строению липидных оболочек.
Современные высокочувствительные системы детектирования, используемые в капиллярной газовой и высокоэффективной жидкостной хроматографии (различные универсальные и селективные детекторы, включая масс-спектрометрический), обладают абсолютным пределом детектирования вплоть до Ю-14 - 10"1а г. При объеме пробы воды 10 мл и определении всего количества присутствующих в пробе целевых компонентов на таком уровне предел обнаружения мог бы составить в этом случае Ю-13 - 10й %, Таким образом, могла бы быть обеспечена возможность обнаружения всех нормируемых соединений, в том числе и самых опасных из них. Существующие на данный момент общепринятые подходы к концентрированию и выделению, которые обеспечивают требуемый уровень концентрирования, достаточно трудоемки и требуют больших временных затрат. Наиболее широко используемыми в настоящий момент являются методы жидкостной и твердофазной экстракции. Основные ограничения классических методов определения органических соединений в воде связаны с использованием на стадии пробоп од готовки органического растворителя и использованием для анализа лишь малой части (0.001-0.01) конечного экстракта. Это приводит к искажению состава анализируемой пробы за счет потери части определяемых соединений и внесения присущих растворителям примесей, невозможности работы с ультранизкими количествами определяемых соединений (10"11 - Ю-9 г), низкой величине коэффициента концентрирования, необходимости работы с большими пробами воды (до нескольких литров), а также резкому увеличению времени анализа. Существенным недостатком также является использование токсичных органических растворителей (дихлорметан, гексан), влекущее за собой загрязнение окружающей среды (вода, воздух).
В связи с этим актуальным является разработка способов анализа водных образцов, более экспрессных, производительных и более правильных по сравнению с общепринятыми методами. Особенно актуальным является сокращение времени анализа в связи с необходимостью обеспечения возможности быстрого скрининга поступающих на анализ водных проб.
Одним из возможных путей устранения указанных ограничений является использование такого метода выделения и концентрирования органических соединений из воды, как прямая сверхкритическая флюидная экстракция (СФЭ). Авторы существующих работ по СФЭ преимущественно имеют дело с достаточно высокими концентрациями определяемых соединений, причем сами соединения чаще всего неполярны и гидрофобны. Прямая СФЭ из водного образца используется редко, чаще проводят извлечение с сорбента с предварительно сконцентрированными целевыми соединениями. Извлечение полярных соединений проводили либо с помощью техники дериватизации, либо модификацией экстрактанта-флюида метанолом и другими органическими растворителями.
Возможность прямой СФЭ из воды ультраследовых количеств полярных органических соединений (в том числе экотоксикантов) без использования органических растворителей и их определения в воде на уровне ПДК и ниже в литературе не рассматривалась.
Целью настоящей работы являлось изучение прямой сверхкритической флюидной экстракции из вод следовых количеств различных полярных органических соединений без использования органических растворителей и возможности их последующего газохроматограф и ческого определения на ультрамикроуровне.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. выбрать условия количественной термодесорбции следовых количеств полярных соединений, принадлежащих к различным классам, из картриджа, заполненного специальными сорбентами и переноса в газовый хроматограф;
2. выбрать условия количественного сорбционного выделения из газового потока на выходе из зкстраістора экстрагируемых из водных проб методом СФЭ ультрамалых количеств полярных органических соединений; обеспечить возможность перевода в газовый хроматограф всего количества определяемых соединений, присутствующих в экстраЕсте без использования органического растворителя в процессе СФЭ и выделения экстрагируемых соединений из газового потока и последующего их определения;
3. исследовать прямую СФЭ из водных растворов следов полярных органических соединений различных классов в зависимости от давления, температуры, природы флюида, а также от времени экстракции;
4. изучить зависимости распределения следовых количеств полярных органических соединений между водой и флюидной фазой в зависимости от физических свойств флюида, и рассчитать соответствующие коэффициенты распределения;
5. разработать способы определения изученных полярных органических соединений в водных образцах на уровне ПДК и ниже, основанные на их прямой СФЭ и последующем газохроматографическом и ГХ/МС анализе всего экстракта.
Научная новизна работы:
1. выбраны условия количественной термодесорбции следовых количеств полярных соединений, принадлежащих к различным классам (хлорфенолы, жирные кислоты, метиловые эфиры жирных кислот, эфиры фталевых кислот, нормальные спирты, двухатомные спирты, нитрозоамины и амины - всего 55 соединений) из сорбционного картриджа и переноса в газовый хроматограф;
2. исследована зависимость степени сорбционного улавливания из газового потока на выходе из флюидного экстрактора полярных органических соединений, принадлежащих к различным классам без использования органического растворителя в процессе СФЭ и улавливания экстракта; на основании этих исследований выбраны условия количественного выделения следовых количеств изученных органических соединений из газового потока, и последующего переноса этих соединений в инжектор хроматографа термодесорбцией;
3. исследованы зависимости степени извлечения прямой СФЭ из водных растворов 55 полярных органических соединений, принадлежащих к различным классам от времени экстракции, температуры и давления, природы сверхкритической фазы и экстрагируемого соединения; показано, что эти зависимости имеют общий характер для всех изученных соединений;
4. изучены зависимости распределения следовых количеств полярных органических соединений некоторых классов между водой и флюидом при различной его плотности, и получены соответствующие коэффициенты распределения;
5. разработан экспрессный способ прямой СФЭ из вод следовых количеств полярных органических соединений, принадлежащих к различным классам, исключающий использование органических растворителей, и способ определения таких соединений в воде, основанный на сочетании этого способа с газохроматографическим либо хромата-масс-спектр о метрическим анализом всего экстракта; предел обнаружения составляет Ю-10 - Ю-7 % в зависимости от соединения и метода детектирования. Практическая значимость работы: С использованием разработанного способа прямой СФЭ из воды полярных органических соединений и последующего хроматографического или ГХ/МС анализа всего экстракта были предложены способы анализа питьевых вод. Предложенный способ можно применять и для других водных образцов. Предложенные способы могут быть использованы в эко-аналитическом и санитарно-гигиеническом контроле соответствующих зкотоксикантов, а также в биоисследованиях. Результаты работы использованы на Химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова и при исследовании состава примесей в образцах вод Рублевской станции вод оп од готовки г. Москвы, подвергнутых озонированию и ультразвуковой обработке в рамках договора с Московским Комитетом по Науке и Технологии (МКНТ). На зашиту выносятся следующие положения;
1. условия количественной термодесорбции следовых количеств полярных соединений, принадлежащих к различным классам (хлорфенолов, жирных кислот, метиловых эфиров жирных кислот, эфиров фталевых кислот, нормальных спиртов, двухатомных спиртов, нитрозоаминов и аминов) из сорбционного картриджа и переноса в газовый хроматограф;
2. условия количественного сорбционного выделения следовых количеств (10 - 10-7 г) органических соединений, принадлежащих к различным классам из газового потока на выходе из экстрактора, исключающие использование органического растворителя;
3. условия прямой СФЭ из водных растворов следовых количеств этих же соединений с высокой степенью извлечения;
4. зависимости распределения следовых количеств полярных органических соединений между водой и флюидом;
5. способ определения в воде следовых количеств полярных органических соединений, принадлежащих к различным классам, основанный на сочетании способа прямой СФЭ из воды с газохром атографическим либо хромато-масс-спектрометрическим анализом всего экстракта без использования органического растворителя.
Апробация работы:
Результаты работы были представлены в виде стендовых докладов на 3-ем международном симпозиуме по сверхкритической флюидной технологии для применения в области энергетики и охраны окружающей среды «Super Green 2004» (Тяньдзинь, Китай, 2004 г.) и на 7-ом международном симпозиуме по гибридным методам в хроматографии и хроматографическим приборам (Брюгге, Бельгия, 2002 г.). Разработанные способы были использованы для определения органических микропримесей в воде Рублевской станции вод оп од готовки г. Москвы до и после озоновой и ультразвуковой обработки в рамках договора с МКНТ
Публикации:
По материалам диссертации опубликовано 5 работ в виде статей и тезисов докладов.
Стругсгура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы, задачи, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту. Первая глава представляет собой литературный обзор методов анализа вод на содержание следовых количеств сильно- и среднеполярных органических соединений. Основное внимание уделено рассмотрению общепринятых методов пробопод готовки, используемых при анализе вод, их возможностям и ограничениям с точки зрения определения ультраследовых концентраций органических соединений. Рассмотрены ключевые источники существующих ограничений общепринятых методов пробоподготовки.
В этой же главе рассматривается состояние одного из перспективных вариантов пробоподготовки, развивающихся сегодня -сверхкритической флюидной экстракции. Особое внимание уделяется использованию данного метода в аналитической химии, рассматриваются era достоинства и недостатки. Здесь же дается критическая оценка состоянию дел в области использования прямой СФЭ при определении ультраследовых содержаний органических соединений в воде.
Во второй главе описыЕается оборудование и методика эксперимента. В третьей, четвертой и пятой главах представлены результаты разработки метода прямой СФЭ из воды ультраследовых количеств полярных органических соединений и способа их определения, основанного на сочетании отого метода с газохроматографическим анализом всего экстракта. Приведены результаты исследования условий прямой сверхкритической флюидной экстракции из воды ультраследовых количеств полярных органических соединений, принадлежащих к различным классам, а также результаты разработки споссбов определения ультра следовых концентраций рассматриваемых соединений в воде на уровне ПДК и ниже, В пятой главе представлены также результаты использования разработанного метода для анализа ряда образцов водопроводных вод на содержание органических соединений исследуемых классов.
В заключении рассмотрены перспективы развития предложенного метода, намечены пути дальнейших исследований.
Диссертация изложена на 145 страницах, содержит 60 рисунков, 28 таблиц и список литературы из 120 наименований.
Другие подходы к концентрированию полярных соединений из воды
Перспективными, но не получившими еще должного развития направлениями пробоподготовки, являются методы, основанные на концентрировании с использованием мембран, капилляров и коротких капиллярных колонок. В методе обратного осмоса [43] воду под давлением пропускают через мембрану, которая является проницаемой для чистой воды, неорганических солей и органических соединений с молекулярной массой менее 200 (для ацетил целлюлозных мембран) и с молекулярной массой менее 100 (для композитных мембран). Для органических соединений с большой молекулярной массой мембрана непроницаема. Однако на данный момент практически не изучена зависимость степени извлечения этих соединений от концентрации в водном растворе и постоянство этой степени во врерлени. Степень извлечения может составлять более 90% при скорости потока воды менее 15 мл/мин. Последняя существенно зависит от величины поверхности мембран, размера пор и пористости, а также перепада давления на мембране. Элюирование определяемых компонентов с мембраны, как и в случае ТФЭ, подразумевает использование органического растворителя. Более перспективным является метод сорбционного мембранного концентрирования, который является более производительным по сравнению с использованием адсорбционных патронов (оптимальная скорость через мембрану составляла 50-70 мл/мин.)- В работах [44,45,46] осуществлялась селективная сорбция из водных растворов диазо-лроизводных аминов и фенолов на ацетилцеллюлозных мембранах. Степень извлечения этих соединений (при концентрации в растворе 10 -10-5%) составила около 100%. Однако данный подход также включает использование органического растворителя. Еще одним интересным вариантом сорбционного выделения органических соединений из воды является концентрирование в капиллярах.
В работах [47] исследованы закономерности концентрирования большого числа органических соединений из воды с использованием капилляров, изготовленных из различною материала (кварц, полиэтилен, нержавеющая сталь, фторопласт), как свободных, так и с нанесенной неподвижной фазой. Сорбция соединений осуществляется при пропускании водного раствора через капилляр, а выделение определяемых компонентов осуществляется либо с помощью растворителя, либо с помощью термодесорбции. Объем водной пробы невелик (до 10 мл), объем органического растворителя-элюента тоже {не более 1 мл). Степень извлечения в среднем составляет 50-60% для концентраций 10 Б-10 4%Р а относительное стандартное отклонение 3-25 отн.%. Другим перспективным направлением в экстракции полярных соединений из воды является метод иммуноаффинной экстракции (ИАЭ), который позволяет повысить чувствительность и селеістивность определения соединений, а также эффективно устранить влияние макрошмпонентов образца на пределы обнаружения. ИЭА основана на реакции связывания молекул определяемых соединений специфическими антителами. Антитела являются ключевым компонентом данного вида экстракции, так как именно они в значительной степени определяют чувствительность и специфичность анализа. Антитела характеризуются наличием в своей структуре специфических антигенсвязывающих центров, которые способны с высокой специфичностью распознавать и взаимодействовать с молекулой антигена.
Применение ИАЭ для определения низкомолекулярных соединений до недавнего времени было ограничено из-за проблемы получения к ним антител, так как низкомолекулярные соединения не способны сами создавать ответа иммунной системы. В последние годы прогресс в области развития стратегий рационального дизайна гаптенов и иммуногенов, способов получения антител к низкомолекулярным веществам позволил успешно проводить разработку ИАЭ для количественного извлечения определяемых соединений. Основные принципы биоаналитических систем, предназначенных для определения вредных веществ, и их применение для анализа объектов окружающей среды, продуктов питания и биологического мониторинга подробно рассмотрены в ряде обзоров [48,49.50,51]. Рассмотрим наиболее важные моменты. Во-первых, необходимо хорошо знать вещество, которое предстоит определять: знать его химическую структуру, физико-химические свойства, стабильность в лабораторных и природных условиях, пути деградации и основные продукты разложения. Во-вторых, необходимо установить цели анализа - будет ли метод класс-селективным или же специфичным к одному соединения. В-третьих, необходимо знать объект анализа, т.е. тип матрицы, в котором распределено соединение, подлежащее определению. Если определяемое вещество содержит функциональные группы такие как -NH2l -СООН, -ОН, -SH, -СО или -СНО, то коньюгирование можно осуществлять непосредственно через эти группы. В. Пишон и сотрудники [52] использовали антихлортолурон в качестве иммунного сорбента для извлечения 13 фенилмочевин, концентрация которых в пробе не превышала 0,5 мкг/л (объем пробы составлял 50 мл), из питьевой воды. Степень извлечения определяемых соединений составляла от 80 до 100%. Это можно объяснить различием аффинных постоянных, которые существуют между структурой определяемых соединений и поликлональными антителами, привитыми к силикагелю.
Одним из главных недостатков ИАЭ является невозможность использования органических растворителей для элюирования определяемых соединений, так как их использование приводит к денатурированию антител [53]. Таким образом, апюирование соединений возможно только при использовании больших объемов буферных растворов, что приводит к увеличению предела обнаружения. Приготовление антител является трудоемким процессом, который всегда связан с использованием животных. В связи с этим исследователями разработаны искусственные антитела, использующиеся как синтетические аналоги иммуносорбентов, - полимеры с молекулярными отпечатками. Экстракция полимерами с молекулярными отпечатками (ЭПМО) основана на применение специально полученных полимеров с отпечатками молекул определяемых соединений [54]. Отпечатки определяемых соединений получают полимеризацией функциональных мономеров в присутствии «шаблона» определяемого соединения. Система шаблон-мономер выбирается таким образом, чтобы в растворе молекула, оставляющая впоследствии отпечаток, была способна образовывать комплекс с одним или несколькими функциональными мономерами, которые затем пространственно фиксируют реакцией полимеризации. Создаваемые отпечатки должны обладать стерической и химической «памятью» о молекуле-шаблоне. Удаление шаблона из матрицы полимера создает вакантные полости, действующие влоследствии как участки распознавания, которые необходимы для селективного извлечения родственных шаблону соединений. По сравнению с иммуносорбентами полимеры с молекулярными отпечатками получают с меньшими временными затратами. Кроме того, они более стабильны при высоких температурах и в широком диапазоне рН раствора. Синтез и применение полимеров с молекулярными отпечатками детально описаны в обзорах [55,56]. Экстракцию полимерами с молекулярными отпечатками применяют для широкого круга объектов, например, для анализа воды [57,58], мочи [59], плазмы [60], муки [61]. Применение полимеров с молекулярными отпечатками в аналитической химии было впервые описано Селлерганом [62,63]. Большинство работ с применением данного способа экстракции
Сверхкритическая флюидная экстракция как метод пробоподготовки и концентрирования при определении следовых количеств органических соединений в воде
Принимая во внимание свойства СФ, можно выделить ряд достоинств прямой СФЭ как метода пробоподготовки при определении следовых количеств органических соединений в воде. Необходимо отметить, что все перечисленные ниже достоинства наиболее полно раскрываются именно при использовании прямой СФЭ из воды для извлечения ультрамалых количеств органических соединений с последующим их газохроматографическим определением. Эти достоинства следующие: 1) существует возможность получения СФ более высокой чистоты по сравнению с любым органическим растворителем (степень чистоты выше 99.996% [81])г что существенно снижает искажение состава пробы при ультраследовом анализе за счет примесей растворителя; 2) физические свойства веществ в сверхкритическом состоянии (значения плотности, диэлектрической проницаемости и коэффициентов диффузии растворенных веществ, табл.1) обеспечивают возможность повышения скорости экстракции и полноты извлечения (по сравнению с газом и жидкостью, табл,1); 3) негорючесть, неядовитость, дешевизна и доступность СФ обеспечивают безопасность и относительно низкую себестоимость анализов; 4) существует возможность изменения плотности СФ в широких пределах (0.2-1.2 г/мл), а, следовательно, и его растворяющей способности; такое изменение осуществляется небольшим варьированием давления и температуры в экстракционной системе; таким образом, существует возможность селективной экстракции и применения ограниченного набора СФ для широкого круга органических соединений. 5) простота извлечения определяемых соединений из экстракта (изменение давления в системе) обеспечивает возможность использования большого объема экстрагента (по сравнению сЖЖЭ); 6) существует принципиальная возможность полного исключения из аналитической схемы органического растворителя и сорбентов большой емкости.
Однако такая возможность не была реализована в опубликованных работах, относящихся к СФЭ полярных соединений. В связи с этим целью настоящей работы являлось исследование условий прямой СФЭ из водных растворов ультрамалых количеств полярных органических соединений без использования органического растворителя и изучение возможности их определения на ультраследовом уровне в воде, основанного на прямой СФЭ из воды и газохроматографическом анализе всего концентрата. В качестве модельных смесей были использованы смеси нормальных спиртов, двухатомных спиртов, хлорированных фенолов, эфиров фталевой кислоты, жирных кислот, метиловых эфиров жирных кислот, нитрозоаминов и аминов. Структурные формулы и температуры кипения для этих соединений приведены в табл. 2-9. Выбранные модельные соединения представляют собой опасные экотоксиканты, содержание которых нормируется в воде, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и соединения, составляющие основу клеточных мембран. Растворы модельных соединений в воде, гексане и метаноле готовили путем разбавления исходных стандартных растворов этих соединений или путем растворения точных навесок соединений {фирма Absolute Standards и Sigma-Aldrich, США)-
В качестве растворителей использовали н-гексан (х.ч.) являющийся стандартом для газовой хроматографии (М-86.18, температура кипения - 68.5С, плотность - 0.66 г/см3) и метанол (х.ч.), являющийся стандартом для газовой хроматографии (М=32.04, температура кипения - 64.7С, плотность - 0.79 г/см3). Для приготовления водных растворов использовали бидистиллированную и деионизованную воду. В качестве сверхкритического флюида использовали ССЬ {особой чистоты 99.995%, баллон) и N20 (медицинский, баллон), дополнительно очищенные с помощью активированного угля и молекулярных сит 5А . Для проведения газохроматографического анализа использовали следующие газы: газ-носитель - водород (генератор, дополнительная очистка молекулярными ситами 5А), вспомогательные газы - азот (особой чистоты, баллон, дополнительная очистка кислородным фильтром), воздух (компрессор, дополнительная очистка молекулярными ситами 5А).
При выполнении данной работы использовали следующее оборудование; насос для сверхкритической флюидной экстракции модели «SFE 300» (Carlo Erba Instruments, Италия), оснащенный системой охлаждения до -15С; установку для сверхкритической флюидной экстракции модели «SFE 30», оборудованную металлическим обогреваемым рестриктором с возможностью регулировки потока (Carlo Erba Instruments, Италия); ячейки для проведения СФЭ объемом 0.4 мл, 5 мл и 12 мл; капиллярный газовый хроматограф модели «4160» (Carlo Erba Instruments, Италия), оборудованный инжектором для ввода пробы с делением/без деления потока, инжектором для ввода пробы непосредственно в капиллярную колонку, пламенно-ионизационным детектором (ПИД) с блоком управления EL-480 (Carlo Erba Instruments, Италия), детеїсгором по захвату электронов (ЭЗД) модели ECD-40 (источник Ni активностью 10 мКи с энергией частиц 66 кзВ) с блоком управления ECD-400 (Carlo Erba Instruments, Италия); капиллярные колонки Mega DAI 20 м 0.32 мм 5 мкм; Меда SE-54 25 м 0.32 мм 0.25 мкм Restek Stabilwax ЗО м 0.52 мм х 5 мкм систему для сбора и обработки хроматографических данных модели «Chrom-Card», включающую персональный компьютер IBM PC AT 486, блок оцифровки данных и соответствующее программное обеспечение (Carlo Erba Instruments, Италия); генератор водорода модели «ГВЧ-12» (Россия); шприцы для приготовления растворов и ввода пробы в газовый хроматограф объемом 10-1000 мкл (Hamilton, США}; v сорбционный картридж, заполненный БАУГ Тенаксом и стеклянными шариками с 5% SE-30
Обработка результатов измерения
Результаты измерений обрабатывали с применением методов математической статистики, используя следующие обозначения [116]: п число вариант в ряду; х - среднее их ttrf вариант в ряду. Дисперсия и стандартное отклонение характеризуют воспроизводимость метода. Характеристику ошибки среднего значения х оценивали, вычисляя доверительный интервал, в котором при большом числе повторных выборок со степенью надёжности Р, лежит истинное значение определяемой величины где t(P.f) - табличная величина распределения Стьюдента, табулированная для определённого значения степени надёжности (Р) и числа степеней свободы (f=n-1). Уравнения градуировочных графиков были рассчитаны из экспериментальных данных методам наименьших, квадратов. Коэффициенты в уравнении прямой в общем виде у=ах+Ь определяли; решая систему основных уравнений метода наименьших квадратов; Предел обнаружения вещества Ст1П определяли как "наименьшую концентрацию, при которой по данной методике можно обнаружить статистически значимое присутствие определяемого компонента в анализируемом веществе" [117]. Предел обнаружения рассчитывали по следующей формуле: где So - стандартное отклонение холостого опыта; В - коэффициент чувствительности, равный тангенсу угла наклона градуировочного графика. Одним из ключевых моментов в прямой СФЭ является сбор и перенос экстракта в хроматографическую систему.
Как уже отмечалось в главе 1, в настоящее время преимущественно используют либо «on-line» сочетание, либо улавливание в органический растворитель. Эффективность и чувствительность метода значительно возрастет, если осуществить полный (т.е. количественный) перенос всего экстракта. Вдобавок, отказ от использования органических растворителей сведет к минимуму искажение состава пробы за счет привнесения примесей из растворителя. До начала настоящей работы такие способы сбора и переноса всего экстракта без использования органических растворителей в литературе были предложены только для небольшого круга соединений и имели определенные ограничения [108,109,110].
Для решения поставленной задачи было предложено следующее решение: а) сбор экстракта осуществлять при помощи специально изготовленного сорбционного устройства-картриджа, установленного на выходе из экстракционной системы, улавливающего определяемые соединения из газового потока; б) перенос экстракта с картриджа проводить напрямую в инжектор газового хроматографа при помощи термодесорбции- Для прямого ввода определяемых соединений с картриджа в инжектор хроматографа использовали иглу, присоединенную к картриджу, а термодесорбировали соединения обдувая картридж потоком горячего воздуха. Для осуществления работ по намеченной схеме выбирали условия газохроматографического определения исследуемых соединений, т.е. выбор оптимального режима термодесорбции, условий разделения на колонке и оценка пределов детектирования; а также надо было выбрать оптимальные условия улавливания экстрагируемых соединений из потока газа на выходе из рестриктора. Показателями эффективности выбранного способа сбора и переноса экстракта служат степени термодесорбции определяемых соединений и степени их улавливания из потока газа.
Для оптимизации разделения исследуемых соединений на газохроматографической колонке варьировали температуру инжектора, начальную температуру термостата колонки, скорость подъема температуры термостата и конечную температуру термостата. При оптимизации исходили из того, что время анализа должна быть минимально, а эффективность разделения достаточна для количественной обработки хроматограммьк На рис. 8-15 приведены хроматограммы модельных смесей исследуемых соединений, полученные в оптимальных условиях, выбранных нами. Идентификацию компонентов смесей проводили на основании времен удерживания индивидуальных соединений или температур кипения и литературных данных. Выбранные температурные программы приведены в табл. 12. ля определения эффективности термодесорбции определяемых соединений, 1 мкл модельной смеси (концентрация соединений приведена в табл.10 на стр.54) с помощью микрошприца вводили непосредственно в картридж и, после присоединения картриджа к инжектору хроматографа, проводили термодесорбцию исследуемых соединений. Температуру термодесорбции подбирали таким образом, чтобы она была максимальной, но недостаточной для разложения сорбента или модельных соединений. В большинстве случаев, температура, при которой проводили термодесорбцию, составляла 270 -290С, Оптимальное время термодесорбции для каждого класса модельных соединений определяли индивидуально. Под оптимальным временем термодесорбции мы понимали минимальное время, необходимое для количественной термодесорбции нанесенных на
Улавливание исследуемых соединений иа сорбционное устройство после СФЭ
Для улавливания из газового потока на выходе из рестрикгора экстрагируемых из воды соединений, сорбционный картридж присоединяли к рестриктору, расположенному на выходе из экстракционной системы. На данном этапе необходимо было изучить влияние параметров экстракционной системы (скорость газообразного потока экстрагента на выходе экстракционной системы, температура рестрикгора) на эффективность предложенной схемы выделения экстрагируемых соединений из газового потока на выходе из СФ экстрактора для всех классов исследуемых соединений. Степень улавливания соединений на картридж при сверхкритической флюидной экстракции из пустой ячейки рассчитывали по формуле (9); где Si и S2l соответственно, площади пиков, полученных при анализе экстракта после экстракции известного количества модельных соединений из пустой ячейки и вводе в хроматограф такого же количества модельных соединений, внесенного непосредственно в сорбционный картридж. 337 На примере хлорфенолов исследовали зависимость степени улавливания экстрагируемых соединений от величины газового потока экстрагента на выходе из экстрактора, пропорционально связанного с потоком сверхкритической фазы через экстрактор. Результаты представлены иа рис- 18. Как видно из рисунка, наиболее приемлемой с точки зрения величины степени улавливания и скорости экстракции является область, соответствующая потоку газообразного экстрагента на выходе из системы 500 -1200 мл/мин. (это соответствует расходу 1 - 2 мл/мин экстрагента по жидкости). Уменьшение потока экстрагирующей фазы приводит к снижению степени улавливания и снижению скорости экстракции из ячейки. Дальнейшее увеличение потока экстрагента (более 1200 мл/мин) может привести к проскоку улавливаемых соединений через картридж или даже к выбросу сорбента из картриджа за счет существенного повышения давления на выходе из рестрикгора.
На рис. 19 представлена зависимость величины степени улавливания от температуры выходного рестрикгора экстракционной системы. Оптимальное значение данного параметра лежит в области 140- 170С. При оптимизации данного параметра исходили из того, что степень улавливания должна быть максимальной, и температура выходного рестрикгора должна быть максимальной для предотвращения замораживания газа-экстрагента и конденсации экстрагируемых соединений в рестрикторе. Сильное увеличение температуры рестриктора приводит к существенному разогреву картриджа и проскоку улавливаемых соединений через него. В табл, 15 представлены значения степеней улавливания для модельных соединений, полученные в оптимальных условиях. Результаты получены при экстракции из ячейки 1 мкл раствора сравнения. Как видно, значение степени улавливания для всех изучаемых соединений составляет 80-100%. Такиги образом, в результате проведенных исследований выбраны условия эффективного выделения ультраследовых количеств полярных органических соединений из потока сверхкритического флюида, исключающие необходимость использования органического растворителя и обеспечивающие возможность проведения быстрой СФЗ и перевода всего количества экстрагируемых соединений в газовый хроматограф за счет термодесорбции.
Для обеспечения возможности разработки способа определения низких концентраций полярных органических соединений в воде необходимо было изучить условия прямой сверхкритической флюидной экстракции таких соединений из воды. Изучение этих условий проводили с использованием разработанного варианта сочетания прямой СФЭ с капиллярной газовой хроматографией, основанного на сорбционном улавливании экстрагируемых соединений из потока сверхкритического флюида и последующей термодесорбции в хроматограф. Характер поведения органических соединений в системе вода-сверхкритический флюид определяется помимо прочих параметров коэффициентом распределения, который выражается как отношение концентраций искомого соединения, соответственно, во флюиде и воде в условиях равновесия. Изучение условий прямой сверхкритической флюидной экстракции из воды проводили с использованием представителей классов органических соединений, приведенных в табл. 2 - 9 и рассмотренных выше. Величина концентрации в пробе воды 10 мл составляла 10а-10" G% в зависимости от класса соединений. Исследовали зависимость степени извлечения модельных соединений от таких параметров как время экстракции, температура и давление в экстракционной ячейке, природа сверхкритической фазы и экстрагируемого соединения.
Степень извлечения модельных соединений Ra5Bn (%) рассчитывали по следующей формуле: где Si и S2 - соответственно, площади ликов модельных соединений, полученные при газохроматографическом анализе всего экстракта после прямой СФЭ и непосредственном вводе раствора сравнения в хроматограф, КупэНл - степень улавливания из потока сверхкритической фазы экстрагируемых соединений (см. формулу (9)), Rtffl - степень термодесорбции (см, формулу (3)). Для выяснения условий распределения следовых количеств полярных органических соединений между водной и флюидной фазами и расчета коэффициентов распределения в различных условиях эксперимента (различные темпеэшура и давление флюида), была предложена схема эксперимента, которая заключалась в проведении СФЭ в статическом режиме до момента установления равновесия для известных объемов водной и флюидной фазы и с известной концентрацией модельных соединений. После СФЭ флюидную фазу выпускали через рестриктор и улавливали соединения на картридже с сорбентами. Осуществляли термодесорбцию с картриджа в инжектор хроматографа и проводили разделение и определение. Для отработки предложенной схемы эксперимента необходимо было определить время достижения равновесия и время для количественного переноса соединений из флюидной фазы в ячейке на картридж.
