Хроматографические методы анализа. Методическое пособие для специального курса Ответственный редактор Чл корр. Ран, профессор О. А. Шпигун Москва, 2007 2
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
Рис. 9. Хроматограммы стандартных образцов различных образцов нефтепродуктов. Колонка стальная (1800х3 мм), заполненная хромосорбом W-AW c 3% Дексила 400. Пределы программирования температуры колонки: а) бензин А-76, 45-150 0 С; б) керосин осветительный, 60-200 0 С; в) дизельное топливо «Л», 60-250 0 С; г) консистентная смазка, 200-330 0 С; д) топочный мазут марки «40», 150-330 0 С; е – технический парафин, 200-300 0 С. Скорость программирования 4 град/мин 41 н-парафинов (либо площади пика н-парафина, выбранного в качестве эталона) на хроматограммах исследуемого образца и стандартной смеси рассчитывают содержание топлива в анализируемом объекте. Одной из важных задач является определение летучих органических соединений (ЛОС) в воздухе, воде и почве. Наиболее опасными загрязнителями среди ЛОС являются различные хлоруглеводороды, некоторые из них приведены в табл 8. Для разделения используют самые разнообразные жидкие неподвижные фазы, наиболее чувствительными являются ЭЗД, ЭЛКД и МС. Хроматограмма определения ЛОС в воде по методике ЕРА приведена на рис. 10. Для повышения надежности идентификации компонентов смеси и повышения чувствительности галогенсодержащих соединений использовали второй детектор (электролитический кондуктометрический детектор). Помимо ЛОС, вода и почва может загрязняться и органическими соединениями средней летучести. К ним относятся анилины и нитро- ароматические соединения. Они разделяются на капиллярных колонках с силиконовыми неподвижными фазами при использовании в качестве детектора ТИД и МС после извлечения твердофазной экстракцией. Разделение проводится в режиме программирования температуры. Предел обнаружения равен 0,025 мкг/л для анилина и 0,05 мкг/л для ароматических нитросоединений. Сложной и важной задачей является определение пестицидов (табл. 9). По стандартам ЕС суммарное содержание пестицидов не должно превышать 0,5 мкг/л, причем концентрация каждого отдельного вещества не должна быть выше 0,1 мкг/л. Такая чувствительность определения достигается лишь после концентрирования определяемых компонентов. Газохроматографическое определение пестицидов в водах проводится после твердофазной экстракции, в почвах – после извлечения экстракцией 42 Рис. 10. Хроматограмма растворенных в воде летучих органических соединений: 1 – дихлордифторметан; 2 – хлорметан; 3 – метиленхлорид; 4 – бромэтан; 5 – хлористый этил; 6 – трихлорфторметан; 7 – 1,1-дихлорэтилен; 8 – дихлорметан; 9 – транс-1,2-дихлорэтен; 10 – 1,1-дихлорэтан; 11 – 2,2- дихлорпропан; 12 –цис-1,2-дихлорэтен; 13 – хлороформ; 14 – бромхлорметан; 15 – 1,1,1, – трихлорэтан; 16 – 1,1-дихлорпропен; 17 – четыреххлористый углерод; 18 – бензол; 19 – 1,2-дихлорэтан; 20 – трихлорэтен; 21 – 1,2-дихлорпропан; 22 – бромдихлорметан; 23 – дибромметан; 24 – цис-1,3дихлорпропен; 25 – толуол; 26 – транс-1,3-циклопропен, 27 – 1,1,2-трихлорэтан; 28 – 1,3-дихлорпропан; 29 – тетрахлорэтен; 30 – дибромхлорметан; 31 – 1,2-дибромэтан; 32 – хлорбензол; 33 – этилбензол; 34 – 1,1,1,2-тетрахлорэтан; 35 – м-ксилол; 36 – п-ксилол; 37 – о- ксилол; 38 – стирол; 39 – изопропилбензол; 40 – бромоформ; 41 – 1,1,2,2- тетрахлорэтан; 42 – 1,2,3-трихлорпропан; 43 – пропилбензол; 44 – бромбензол; 45 – 1,2,3-триметилбензол; 46 – 2-хлортолуол; 47 – 4-хлортолуол; 48 – трет- бутилбензол; 49 – 1,2,4-триметилбензол; 50 – втор-бутилбензол; 51 – н- изопропилтолуол; 52 – 1,3 –дихлорбензол; 53 – 1,4-дихлорбензол; 54 – н- бутилбензол; 55 – 1,2-дихлорбензол; 56 – 1,2-дибром-3-хлорпропан; 57 – 1,2,4- трихлорбензол; 58 – гексахлорбутадиен; 59 – нафталин; 60 – 1,2,3- трихлорбензол 43 Таблица 8. Летучие органические соединения, загрязняющие окружающую среду Класс соединений Индивидуальные вещества Возможные варианты детектирования Полициклические ароматические углеводороды Кислоты Анилины Фенолы Полихлорированные бифенилы Полихлорированные диоксины Фталаты Нафталин Антрацен Фенантрен Хризен Бенз[a]антрацен Пирен Дибенз[a,h]антрацен Бензо[a]пирен Ацинафталин Ацинафтен Флуорен Флуроантен Бензо[k]флуороантен Бензо[ghi]пирилен Индено[1,2,3-cd]пирен Бензойная кислота Третбутилбензойная кислота Гидроксобензойные кислот Бензиламин 2.4,5-Триметиланилин 2,4,6-Трихлоранилин 2,4-Дихлоранилин Фенол Крезолы Хлорфенолы Нитрофенолы 2-Хлорбифенил 2,3-Дихлорбифенил 2,4,5-Трихлорбифенил 2,2 ’ ,4,4’-Тетрахлорбифенил 2,2’,3’,4,6- Пентахлорбифенил 2,2’,4,4’,5,6’- Гексахлорбифенил 2,2’,3,3’,4,4’,6- Гептахлорбифенил 2,2’,3,3’,4,5,6,6’- Октахлорбифенил Полихлорированные дибензо-п-диоксины Полихлордибензофураны ПИД, МС ЭЗД, МС 44 или термодесорбцией. Разделение выделенных пестицидов проводят на капиллярных колонках с силиконовой жидкой неподвижной фазой в режиме программирования температуры о т 50 до 250 0 С. Для повышения надежности идентификации используют две колонки с неподвижными фазами разной полярности. Определение разделенных соединений проводят с чаще всего с использованием ПИД или МС. Для селективной регистрации галогенсодержащих соединений используют ЭЗД или реже ЭЛКД, азот- и фосфорсодержащих соединений – ТИД, серосодержащих соединений – ПФД, для фосфорсодержащих соединений очень чувствительным является хемилюминесцентный (ХЛД) детектор. Хроматограмма извлеченных из почвы остаточных количеств азот/фосфор содержащих пестицидов приведена на рис. 11. Наиболее надежным и информативным является использование масс-спектрометрического детектора. Рис. 11. Хроматограмма извлеченных из почвы остаточных количеств азот/фосфор содержащих пестицидов: 1 - дихлофос, 2 - ЕРТС, 3 - бутилат, 4 - мевинфос, 5 - вернолат, 6 - пебулат, 7 - тебутирон, 8 - молинат, 9 - этопроп, 10 - циклоат, 11- хлорпропам, 12 - атратон, 13 - симазин, 14 - прометон,15 -атразин, 16 – пропазин, 17 – тербуфос, 18 – пронамид, 19 – диазинон, 20 – дисульфотон, 21 – тербацил, 22 – метрибузин, 23 – симетрин, 24 – алахлор, 25 – аметрин, 26 – прометрин, 27 – тербутрин, 28 – бромацил, 29 – метолахлор, 30 – тридемефон, 31 – МЖК-264, 32 – дигенамид, 33 – стирофос, 34 – бутахлор, 35 – фенамифос, 36 – напропамид, 37 – трициклазол, 38 – мерфос, 39 – карбоксин, 40 – норфлуразон, 41 – гексазинон, 42 – фенаримол, 43 –флуридон 45 Таблица 9. Классификация пестицидов, определяемых методом газовой хроматографии Химический класс пестицидов Наиболее важные представители Детектор Сmin, мкг/л (МС) Хлорсодержащие соединения ДДТ и метаболиты Гексахлорциклог ексаны Циклодиены Полициклодиены Инсектициды 2,4 -ДДТ, 2,4-ДДЕ, 2,4- ДДД Линдан Альдрин, диэльдрин Токсафен Перметрин ЭЗД, МС « « « « 2 2 3 Фосфорсодержащ ие соединения Инсектициды Паратинон, диазинон, метамидофос ПИД, МС 1-10 Азотсодержащие соединения Триазины Производные фенилмочевины Карбаматы Прочие Гербициды: атразин, симазин Линурон, диурон, монурон Карбарил, метиокарб, промекарб Гербициды, фунгициды бентазон, метолахлор, метазахлор ТИД, МС « 2 1-3 2 Оловоорганичес- кие соединения Фунгицид – фентин ПИД, МС Серосодержащие соединения Гербицид – этофумесат ПИД По аналогичной схеме образцы почвы и воды анализируют на содержание полициклических ароматических углеводородов, полихлорированных углеводородов, полихлорированных бифенилов и полинитроуглеводородов. Разделение проводят также в режиме 46 программирования температуры на капиллярных колонках, покрытых полисилоксанами. Для детектирования используют ПИД, ЭЗД И МС. 2.4. Реакционная газовая хроматография В реакционной газовой хроматографии (РГХ) используются направленные химические превращения нелетучих соединений в летучие, а также неустойчивых в устойчивые. Используется несколько вариантов РГХ: – химическое образование производных; – пиролитическая РГХ (исследуемые вещества разлагаются при высоких температурах и затем хроматографически определяются образовавшиеся продукты); – метод «вычитания» (мешающие компоненты поглощаются специфическими реагентами и не влияют на определение определяемых компонентов). К положительным особенностям РГХ относятся: расширение области применения газовой хроматографии; улучшение разделения анализируемых соединений, т.к. индивидуальные свойства соединений более заметно проявляются в образующихся производных, чем в исходных соединениях; существенное улучшение количественных характеристик аналитических определений; увеличение чувствительности детектирования; лучшая сохранность хроматографической колонки. Недостатками РГХ являются: усложнение анализа, ухудшение эффективности разделения, увеличение времени анализа. Наиболее широко применяется получение производных. Основные способы получения производных перечислены ниже: 47 1. Получение силильных производных. -OH -O-Si(CH 3 ) 3 -COOH -COO-Si(CH 3 ) 3 -SH -S-Si(CH 3 ) 3 -NH 2 (1)-NH-Si(CH 3 ) 3 (2)-N(-Si(CH 3 ) 3 ) 2 -NH =N-Si(CH 3 ) 3 2. Алкилирование -OH -O-CH(CH 3 ) 2 -COOH -COO-CH(CH 3 ) 2 (CH 3 ) 2 CHBr -SH NaH -S-CH(CH 3 ) 2 -NH 2 -NH-CH(CH 3 ) 2 3. Получение сложных эфиров На практике используют: Диазометановый метод, где реакция дериватизации проходит по уравнению RCOOH + CH 2 N 2 → RCOOCH 3 + N 2 , метанольный метод ─RCOOH + CH 3 OH → RCOOCH 3 и пиролитический метод ─ RCOOH + (CH 3 ) 4 NOH → RCOOCH 3 + H 2 O + (CH 3 ) 3 N/ 4. Получение простых эфиров Дериватизация соединений проходит по уравнению: ROH + CH 3 I →ROCH 3 + HI 5. Получение ацильных производных На схеме представлены процессы дериватизации: - R-OH -R-O-COR′ -R-NH 2 -R-NH-COR′ (R′CO) 2 O -R-SH -R-S-COR′ 48 наиболее распространенные ацилирующие реагенты─ ангидриды соответствующих кислот 6. Образование оксимов и гидразинов 7. Образование производных неорганических соединений (летучих хелатов металлов, алкилпроизводных ртути, гидридов, хлоридов). Применение для решения экологических задач Реакционную газовую хроматографию применяют для определения различных классов загрязняющих веществ в воде, воздухе и почве: – углеводороды: для определения ненасыщенных углеводородов. Например, для определения алкенов с ЭЗД в виде бромпроизводных; – карбонильные соединения: наиболее важно определение альдегидов и кетонов, которые являются приоритетными загрязнениями воздуха; – фенолы и хлорфенолы: используют триметилсилильные производные фенолов, динитрофениловые эфиры и гептпфторбутирильные производные для определения фенолов, прежде всего в воде; – спирты, карбоновые кислоты, оксиды и ангидриды кислот: предварительно эти ЛОС улавливают в сорбционных трубках, и после экстракции растворителем получают производные определяемых компонентов с селективными реагентами, наиболее значимо определение карбоновых кислот; – амины и гидразины: применение РГХ позволяет избежать характерных для этих, очень полярных и реакционноспособных, соединений взаимодействий с неподвижной фазой и необратимой адсорбции, кроме того, повышается надежность их идентификации в сложных смесях с другими ЛОС; – азотсодержащие ПАУ: решается важная задача их определения в твердых атмосферных частицах и дизельных выхлопах; производные ПАУ 49 превращают в ароматические амины, которые экстрагируют бензолом и ацилируют по реакции с гептафтормаслянным ангидридом, ЭЗД проявляет наибольшую чувствительность при определении производных; – серусодержащие и фосфорсодержащие органические соединения: метод позволяет повысить чувствительность определения сероводорода после его превращения после реакции с карбидом кальция в ацетилен, а также информативность идентификации и чувствительность определения H 2 S, COS, CS 2 , CH 3 SH путем получения производных при фторировании газообразным фтором и последующей регистрации продуктов ЭЗД; метод позволяет обнаружить и идентифицировать метилфосфоновые кислоты в атмосферном воздухе после их превращения в метиловые эфиры; – галоидсодержащие органические соединения (пестициды, хлорметиловые эфиры, легкие хлоруглеводороды): повышается надежность их идентификации в сложных смесях; – металлорганические соединения: наиболее значимо определение алкильных производных ртути (метилртуть), олова и свинца, высокая чувствительность достигается при использовании элементоспецифичного атомно-эмиссионного детектора; – неорганические соединения: определение низких содержаний неорганических фторидов после их превращения в триметифторсилан; хлора, хлористого водорода, аммиака, гидразина и азидов; оксида углерода путем гидрирования до метана (один из чувствительных вариантов его ГХ определения); идентификация и определение следовых количеств металлов в воздухе, воде, почве и донных отложениях в виде летучих хелатов. Рассмотрим подробнее несколько наиболее важных примеров использования РГХ для определения экотоксикантов. Особенно важным для экологии является идентификация и определение низкокипящих альдегидов (формальдегид, акролеин, ацетальдегид), которые с выхлопными газами автомобилей попадают в атмосферный воздух. В 50 аналитической практике для этой цели чаще всего применяют РГХ. Для получения производных можно использовать два десятка различных реагентов, наиболее популярным является 2,4-динитрофенилгидразин (2,4- ДНФГ), который превращается в гидразон по реакции: Определение формальдегида основано на образовании 2,4- динитрофенилгидразона формальдегида и последующем его определении с ЭЗД или ПИД. При определении 0,02-0,5 мг/л формальдегида, относительная погрешность не превышает 14%. Определение карбоновых кислот также наиболее удобно РГХ, их чаще всего определяют в виде метиловых эфиров. Другая возможность предполагает улавливание карбоновых кислот активным углем с последующим превращением в анилиды по реакции с анилином, либо в эфиры (как метиловые, так и этиловые), либо в пентафторбензиловые производные. Для разделения образующихся производных наиболее эффективны капиллярные колонки с силиконовыми жидкими неподвижными фазами и детектирование с ПИД. РГХ также позволяет решить сложную экологическую задачу определения очень неустойчивых и токсичных гидразинов, относящихся к высокоэнергетическим пропеллентам ракетного топлива, в воздухе рабочей зоны или на пусковой площадке ракет. Воздух аспирируют через поглотитель с пористой пластинкой, содержащей ацетон. В результате реакции образуются ацетилпроизводные гидразинов: C O + O 2 N NO 2 NHNH 2 H 2 SO 4 спирт C NNH O 2 N NO 2 51 N 2 H 4 + 2CH 3 COCH 3 → (CH 3 ) 2 C=N—N=C(CH 3 ) 2 (2-пропаноназин) (CH 3 ) 2 N—NH 2 + 2CH 3 COCH 3 → (CH 3 ) 2 N—N=C(CH 3 ) 2 (2- пропанондиметилазин) CH 3 НN—NH 2 + 2CH 3 COCH 3 → CH 3 НN—N=C(CH 3 ) 2 (2- пропанонметилазин) Для разделения производных используют капиллярные колонки с силиконовыми неподвижными фазами и ТИД. Определение гидразинов можно проводить в интервале концентраций 1-10 мккмоль/л с относительным стандартным отклонением менее 0,05. 2.5. Хромато-масс-спектрометрия Сочетание ГХ и масс-спектрометрии – один из наиболее эффективных методов анализа сложных смесей в объектах окружающей среды. Аналитические возможности ГХ и масс-спектрометрии идеально дополняют друг друга, и сочетание методов позволяет получать большой объем информации. На рис. 12 приведена схема компьютеризированой хромато-масс-спектрометрической установки, которая позволяет провести все стадии анализа самых сложных смесей органических веществ ГХ и МС присущи общие особенности – в обоих методах: – анализ вещества проводится в газовой фазе; – количество вещества, необходимое для одного анализа, составляет 10 -6 г; – скорости выполнения анализов в обоих методах могут быть согласованы таким образом, что в процессе элюирования одного хроматографического пика можно измерить несколько полных масс- спектров. 52 Рис.12. Основные элементы системы: газовый хроматограф – масс- спектрометр – компьютер Хроматограмма Масс-спектр Пробо- подготовка Данные других Методов: ИК, ЯМР, УФ Газовый хроматограф Интерфейс, связывающий хроматограф с масс-спектрометром Компьютер Источник ионов Масс-спектрометра Масс-анализатор Интерпретация данных Результаты - Хроматограммы - Масс-спектры - Масс-хроматограммы - Селективное ионное детектирование - Времена (индексы) удерживания - Библиотечный поиск - |