Рис. 24. Хроматограмма стандартной смеси EPA полициклических ароматических углеводородов: 1 – нафталин; 2 – аценафтен; 3 – флуорен;
4 – фенантрен; 5 - антрацен; 6 – флуорантен; 7 – пирен; 8 – 3,4-дибенз- антрацен; 9 – хризен; 10 – 3,4-бензфлуорантен; 11 – 11,12-бензфлуорантет;
12 – 3,4-бензпирен; 13 – 1,2,5,6-дибензантраце и 1,12-бензперилен; 14 –
2,3-о-фениленпирен.
Колонка (150х4,6мм) Mightysil RP-18; подвижная фаза: (75:25)
ацетонитрил-вода: детектор ─ флуоресцентный, режим програмирования по длинам волн флуоресценции
Определение ПАУ в объектах окружающей среды, особенно в водах и почвах, является важной проблемой практической аналитической химии.
В литературе много работ, посвященных определению ПАУ методом
ВЭЖХ в водах и почвах. Данные этих работ обобщены соответственно в табл. 16 и 17.
Трудности при проведении определения ПАУ ВЭЖХ связаны с необходимостью предварительной очистки экстрактов и
принципиальными сложностями идентификации родственных по химической структуре изомерных соединений.
93
Таблица 16.
Определение ПАУ методом ВЭЖХ в водах
Тип воды
Определяемые ПАУ
Неподвижная фаза
Подвижная фаза
Детектор
C
min
, нг/л
Питьевая
Фл, Б(b)Ф, Б(k)Ф, Б(a)П,
Б(g,h,i)П, Инд(1,2,3-cd)П
С-18
(250х4,6) мм, 5мкм
Ацетонитрил: вода
Градиентный режим
Фл
0,05
Загрязненная речная
16 ПАУ
Rad-Pak C-18
(100х8) мм, 5 мкм
Ацетонитрил: вода
Градиентный режим
Фл
УФ-В
0,05– 9 0,5 –120
Речная
16 ПАУ
Lichrospher РАН С-18
(125
×2) мм, 4 мкм
Ацетонитрил: вода
Градиентный режим
Фл
УФ-В
0,1–2 100
Поверхностные
16 ПАУ
С-18
(250х4,6) мм, 5мкм
Метанол: вода (85 : 15) с
2 г/л TCAA
Амп
1–10
Речная и морская
15 ПАУ
Spherisorb S5 РАН
(150
×4,6) мм, 5 мкм
Ацетонитрил: вода(80 :20)
изократи-ческий режим
Фл
0,09–1
Речная
Фл, Б(b)Ф, Б(k)Ф, Б(a)П,
Б(g,h,i)П, Инд(1,2,3-cd)П
Erbasil C18
(165
×4,6) мм, 5 мкм
Метанол: вода (85 : 15)
изократи-ческий режим
Фл
∼ 0,1
Поверхностные
16 ПАУ
С-18
(250х4,6) мм, 5мкм
Ацетонитрил: вода
Градиентный режим
Фл
2 (Б(а)П)
Речная
Фл, П, Б(a)П
Supelco C-18
(150
×4) мм, 5 мкм)
Ацетонитрил: вода
Градиентный режим
Фл
1,0 (Б(а)П)
Природная
16 ПАУ
Lichrospher 100 RP-18
(125
×4) мм,5 мкм
Ацетонитрил: вода (80 :20)
изократи-ческий режим
Фл
0,5 нг/л (Б(а)П)
Речная а
Фл, Б(b)Ф, Б(k)Ф, Б(a)П,
Б(g,h,i)П, Инд(1,2,3-cd)П
SpherisorbODS – 2
(300
×4) мм,5 мкм
Ацетонитрил: вода (80 :20)
изократи-ческий режим
Фл
8 пг (Б(а)П)
Городские сточные
16 ПАУ
Hypersil Green PAH
(100
×4,6) мм, 5 мкм)
Ацетонитрил: вода
Градиентный режим
Фл
0,6 нг/л
Примечания :Фл – флуоресцентный детектор; Амп – амперометрический детектор;
TCAA – трихлоруксусная кислота; i-PrOH – изопропанол; 16 ПАУ – 16 ПАУ из стандартной смеси ЕРА
Фл – флуорантен; П – пирен; Б(b)Ф – бенз(b)флуорантен; Б(k)Ф – бенз(k)флуорантен; Б(g,h,i) – бенз(g,h,i)перилен;
Инд(1,2,3-cd)П – индено(1,2,3-cd)пирен;
ПО – предел обнаружения
94
Таблица 17.Определение ПАУ методом ВЭЖХ в почвах
Тип почвы Определяемые
ПАУ
Неподвижная фаза
Подвижная фаза
Детек- тор
С
min
,
мкг/л
Осадочные отложения
16 ПАУ
С18 ((250
×4,6)
мм, 5 мкм)
Ацетонитрил:
вода
Градиентный режим
Фл
1-10
Почвенные образцы:
глины с песком
Фл, Б(b)Ф,
Б(k)Ф, Б(a)П,
Б(g,h,i)П,
Инд(1,2,3- cd)П
С18 ((250
×4,6)
мм, 5 мкм)
Ацетонитрил:
вода
Градиентный режим
УФ-В
10-
30
Сильноза- грязненные почвы
16 ПАУ
Tracer–
Spherisorb
ODS ((243
×4)
мм, 5 мкм)
Ацетонитрил:
вода (80:20)
Изократичес- кий режим
УФ-В
Фл
(1–
62)
(0,1–
9)
Слабоза- грязненные почвы
16 ПАУ
С18 ((250
×4,6)
мм, 5 мкм)
Ацетонитрил:
вода
Градиентный режим
Фл
1-5
Осадочные отложения
15 ПАУ
С18 ((250
×4,6)
мм, 5 мкм)
Ацетонитрил:
вода
Градиентный режим
Фл
0,5-
1,5
При анализе образцов речных вод, поскольку они могут содержать примеси флуоресцирующих соединений, при относительных временах удерживания
ПАУ предложено использование предварительного разделения фракций ПАУ методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) и последующий анализ отдельных фракций ПАУ методом обращенно- фазовой ВЭЖХ с флуоресцентным детектором.
В почвах и сложных природных смесях ПАУ для определения специфических изомеров ПАУ бывает необходимо использовать нормально-фазовый метод ВЭЖХ. Этот метод обеспечивает отделение и концентрирование изомеров,
которые сложно определить в общей
95
фракции ПАУ из-за низких концентраций или из-за относительно низкой чувствительности и селективности флуоресцентного детектирования.
Описан метод разделения природного экстракта морских отложений на аминопропилсиликагеле. Эта предварительная стадия обеспечивает получение фракций, содержащих только изомерные
ПАУ и
алкилзамещенные изомеры. Фракции изомерных ПАУ анализируют методом обращенно-фазовой ВЭЖХ с флуоресцентным детектором.
Таким образом, ВЭЖХ с использованием флуоресцентного и ультрафиолетового детекторов позволяет определять ПАУ в различных объектах. Успех анализа определяется, как условиями разделения и детектирования, так и грамотной подготовкой пробы к анализу.
Определение загрязнений воздуха. Для определения загрязнений в водухе ВЭЖХ используется реже, чем в воде и почве. Этот метод незаменим при определении в воздухе токсичных высокомолекулярных и высококипящих органических соединений: к ним относятся диоксины,
пестициды, полихлобифенилы, ПАУ, фенолы, ароматические амины и имины, азарены (азотсодержащие гетероциклические углеводороды) и их метильные производные. Во всех случаях предварительно загрязняющие компоненты улавливают из воздуха в специальных концентрирующих трубках, и после экстракции из фазы адсорбента анализируют полученный раствор ВЭЖХ.
Наиболее важным является определение в воздухе ПАУ (ПДК для атмосферного воздуха составляет 10
-6
мг/м
3
, воздуха рабочей зоны –
1,5.10
-4
мг/м
3
) , анализ концентрата проводят аналогично тому, как описано для вод и почвы. Много внимания уделяют также определению фенолов и крезолов. Эта задача важна для жилых помещений, так как строительные материалы, покрытия, мебель могут выделять фенолы. Их улавливают при прокачивании воздуха через щелочные растворы или на специальных
96
фильтрах, с которых потом смывают ацетонитрилом или метанолом.
Полученный раствор анализируют методом ОФ ВЭЖХ с УФ- или амперометрическим детектором. В воздухе определяют ароматические амины и гетероциклические имины, а также карбонильные соединения,
которые являются распространенными загрязнителями воздуха промышленных регионов. Карбонильные соединения (альдегиды и кетоны) – наиболее важные приоритетные загрязнители городского воздуха (ПДК около 0,02 мг/м
3
), источником которых являются выхлопные газы автомобилей. Разделение
компонентов в экстракте воздуха проводятОФ ВЭЖХ при элюировании смесями ацетонитрил–вода, детектируют соединения УФ-детектором при длине волны 356 нм после их перевода в производные с 2,4-динитрофенилгридразином. При этом другие загрязнения воздуха не регистрируются, и определение является селективным.
3.2. Ионная хроматографияИонная хроматография – это высокоэффективная жидкостная хроматография для разделения катионов и анионов на ионообменниках низкой емкости. Широкое распространение ионной хроматографии обусловлено рядом ее достоинств:
– возможность определять большое число неорганических и органических ионов, а также одновременно определять катионы и анионы;
– высокая чувствительность определения (до 1 нг/мл без предварительного концентрирования;
– высокая селективность и экспрессность;
– малый объем анализируемой пробы (не более 2 мл образца);
97
– широкий диапазон определяемых концентраций (от 1 нг/мл до
10000 мг/л);
– возможность использования различных детекторов и их комбинаций, что позволяет обеспечить селективность и малое время определения;
– возможность полной автоматизации определения;
– во многих случаях полное отсутствие предварительной пробоподготовки.
Вместе с тем, как и любой аналитический метод, ионная хроматография не лишена недостатков, к которым можно отнести:
– сложность синтеза ионообменников, что значительно затрудняет развитие метода;
– более низкую по
сравнению с ВЭЖХ эффективность разделения;
– необходимость высокой коррозионной стойкости хроматографической системы, особенно при определении катионов.
Метод основан на эквивалентном обмене ионов раствора на ионы неподвижной твердой фазы. Свойствами ионообменников обладает довольно большое число различных природных и синтетических соединений. Наибольшее практическое применение нашли синтетические органические иониты. Большинство этих ионообменников имеет матрицу из сополимера стирола с дивинилбензолом. Этот сополимер легко образуется и обладает достаточно высокой физической и химической устойчивостью в различных условиях. Полимер может быть использован в качестве ионообменника только после введения в матрицу ионогенных групп. Ионогенная группа состоит из двух ионов. Один из них прочно фиксируется за счет ковалентной связи и называется функциональной группой (фиксированным ионом). Ионы противоположенного заряда связываются с фиксированным ионом за счет электростатического
98
взаимодействия. Они называются противоионами. Эти ионы могут обмениваться на эквивалентное количество ионов того же заряда из раствора. В зависимости от силы сопряженной кислоты (или основания)
фиксированного иона ионообменники делятся на сильнокислотные,
среднекислотные и слабокислотные (или основные). Классификация ионообменников дана в табл. 18.
Таблица 18. Классификация ионообменников
Ионообменник
Тип
Фиксированные ионы сильнокислотный
- SO
3
- среднекислотный
- PO
3
-
, - AsO
3
-
Катионообменник слабокислотный
- COOH
сильноосновный
- R
3
N
+
среднеосновный
- R
3
N
+
/R
2
HN
+
Анионообменник слабоосновный
- RH
2
N
+
Выбор неподвижной фазы имеет большое значение при проведении любого хроматографического разделения. Синтез сорбентов для ионной хроматографии затруднен, поскольку к ним предъявляется довольно много требований:
– сорбент должен иметь очень низкую ионообменную емкость
(0,001-0,1 мэкв/г).
Это связано с использованием кондуктометрического детектирования, при котором необходимы элюенты (растворы кислот, солей, оснований) с концентрацией менее 0,01 М. Для эффективного разделения такими разбавленными элюентами требуются низкоемкостные ионообменные сорбенты;
99
– диаметр сорбента не должен превышать 50 мкм (обычно он равен
5–10 мкм). Только в этом случае можно достичь высокой эффективности разделения;
– зерна сорбента должны обладать высокой механической прочностью и устойчивостью к давлению, которое возникает при работе с мелкодисперсной неподвижной фазой;
– сорбент должен обладать высокой химической устойчивостью по отношению к элюирующему раствору. Он должен сохранять стабильность в широком интервале рН;
Этим требованиям удовлетворяют поверхностно-пористые
(пелликулярные) ионообменники, которые состоят из твердого инертного ядра, покрытого тонким слоем ионита. На таких
сорбентах быстро устанавливается равновесие, поскольку диффузия в тонкую ионообменную пленку занимает мало времени. В результате ускоряется хроматографический процесс и достигается высокая эффективность разделения. Сорбенты для ионной хроматографии и их основные характеристики приведены в табл. 19.
Разделение катионов происходит на катионообменниках, которые содержат фиксированные группы SO3-, PO3-, COO- и катионы в качестве противоиона. Равновесие ионного обмена описывается схемой
nRSO3-H+ + Men+ = (RSO3-)nMe + nH+Подвижной фазой при разделении катионов чаще всего являются растворы ((1-5).10-3 М) соляной, азотной кислот или солей. Разделяемые катионы элюируются с колонки в результате их замещения в фазе ионообменника катионами, содержащимися в подвижной фазе.
Разделение анионов проводится на анионообменниках, которые
100
Таблица 19. Полимерные ионообменники для ионной хроматографии
Наименование
Диаметр частиц,
мкм
Функцио- нальная группа
Ионообменн ая емкость
*
,
ммольэкв/г
Степень сшивки,
%
АльтексОА-1000
Альтекс Анион НС
Аминекс А-27
Аминекс А-28
Аминекс А-27
АN-X
Аминекс А-5
Аминекс А-7
Аминекс А- 8
Аминекс А- 9
Бекман АА –15
Бекман АА – 20
Гамильтон НА
Гамильтон НС
Даррум ДС А
Даррум ДС 6А
Ионекс SB
Ионекс SA
Ионопак
Сферон ДЕАЕ
Сферон микро С300
Сферон В300
Хромэкс
Хромэкс катион
12 12 12–15 7–11 6–9 11 11–15 7–11 5–8 11–12 11 11 7–10 7–10 14 11 5–20 10 10 10,16,20
«
«
11–12 11
-(SO
3
)
-
-(NH
3
)
+
-(NH
3
)
+
-(NH
3
)
+
-(NH
3
)
+
–
[N(CH
3
)
3
]
+
Cl
-(SO
3
)
-
-(SO
3
)
-
-(SO
3
)
-
-(SO
3
)
-
-(SO
3
)
-
-(SO
3
)
-
-(NR
3
)
+
Cl
-(SO
3
)
-
-(SO
3
)
-
-(SO
3
)
-
-(NR
3
)
+
Cl
-(SO
3
)
-
-(SO
3
)
-
-N(C
2
H
5
)
2
+
-COOH
[N(CH
3
)
3
]
+
Cl
-(SO
3
)
-
–
3 3,2 3,2 3,2 4
5 5
5 5
5 5
5 5,2 5
5 3
3 3–5 1,5 2,0 1,5 4
4
–
–
8 8
8 2, 4, 8, 12 8
8 8
8 8
8 4, 6, 8, 10 2– 35 8
8 7
8
–
–
–
–
2, 4, 8, 12 8, 12
содержат фиксированные группы -NR3, -NHR2, -NH2R и анионы как противоионы. Равновесие ионного обмена описывается схемой
nR1R3N+OH + Ann- = (R1R3N+)nAn + nOH-
Наиболее распространенными элюентами при определении анионов являются ((1-5).10-3M) растворы карбоната, гидрокарбоната или гидроксида натрия. Разделяемые анионы элюируются с колонки анионами, содержащимися в подвижной фазе.
101
Время и порядок элюирования катионов и анионов зависит от их заряда и размера гидратированного иона. Ионы удерживаются тем сильнее, чем больше их заряд и меньше размер гидратированного иона.
Элюирующая способность подвижной фазы возрастает, с увеличением концентрации ионов, содержащихся в ней, и их сродства к ионообменнику, которое зависит от заряда и размера элюирующего иона.
При использовании в элюентах солей слабых кислот их элюирующая способность зависит от рН раствора, поскольку при изменении рН
изменяется состав раствора.
В ионной хроматографии наиболее часто
используют кондуктометрические детекторы, которые измеряют низкочастотную проводимость элюата. Они просты по конструкции, имеют малый рабочий объем (до 0,5 мкл) и широкий линейный диапазон ГГ, который достигает
10 6
. Детектор состоит из проточной ячейки, в которую подается анализируемый раствор, индикатора и системы регистрации кондуктометрического сигнала. Индикатор градуируется в единицах Ом
-1
или мкОм
-1
. Кондуктометрическая ячейка представляет собой камеру малого объема, соединенную с двумя электродами, сделанными из платины, золота, нержавеющей стали или другого инертного проводящего материала. Сопротивление ячейки, как правило, измеряют с помощью моста Уитстона. Электропроводность большинства растворов возрастает примерно на 2% при увеличении температуры на 1 0
С, поэтому в кондуктометрических детекторах предусмотрена температурная компенсация.
Поскольку в качестве элюентов в ионной хроматографии используют растворы сильных электролитов, для снижения их фоновой электропроводности после разделяющей колонки устанавливают вторую колонку – подавляющую (компенсационную), где элюент преобразуется в воду или раствор, имеющий очень низкую электропроводность, а
102
разделяемые ионы в сильные электролиты. Такой вариант получил название
двухколоночной ионной хроматографии.
Подавление фоновой электропроводности элюента можно проводить также с помощью специальных устройств. Наибольшее распространение приобретают системы капиллярного мембранного подавления фоновой электропроводности. Принцип действия таких систем аналогичен подавляющим колонкам с той лишь разницей, что источником
иона для подавления является не смола, а раствор данного иона, находящийся во внешнем пространстве устройства. Существуют системы подавления, использующие помимо мембранных механизмов подавления, приложенное к поверхностям мембран электрическое поле.
Такие системы называются мембранными электродиализными системами подавления фоновой электропроводности.
Важным достоинством двухколоночного варианта ионной хроматографии являются низкие пределы обнаружения ионов и линейность градуировочного графика в широком интервале их концентраций. Это дает возможность использовать метод стандартов в количественном анализе без обязательного построения градуировочного графика.
При использовании элюентов с низкой электропроводностью кондуктометрический детектор присоединяют непосредственно к разделяющей колонке. Такой вариант ионной хроматографии получил название
одноколоночной ионной хроматографии.
Для сохранения высокой чувствительности определения, которая в двухколоночном варианте достигается благодаря использованию системы подавления, в одноколоночном варианте используют элюенты с низкой электропроводностью, но в то же время с высоким сродством к анионообменнику, что позволяет достичь быстрого и селективного разделения определяемых анионов.
103
В качестве элюентов в этом варианте применяют ароматические кислоты или их соли, величина рН элюентов изменяется от 3 до 8. В
данном случае можно использовать не только кондуктометрический, но и другие детекторы, например, спектрофотометрический, люминесцентный,
полярографический. В этом состоит еще одно преимущество одноколоночного варианта. Однако пределы обнаружения ионов в одноколоночном варианте обычно выше, чем в двухколоночном, а линейность градуировочного графика сохраняется в более узком интервале их концентраций.
Ионная хроматография
весьма эффективный метод определения ионов, на рис. 25 и 26 показаны примеры разделения сложных смесей катионов и анионов. Ионная хроматография с кондуктометрическим детектором лучший метод определения неорганических анионов.
Разделение проводят на ионообменниках низкой емкости (менее 0,1мМ/г)
чаще всего поверхностно–модифицированных.
Нижняя граница определяемых концентраций составляет 1-10 нг/л Воспроизводимость по высотам и площадям : Sr не более 0,05.
Наиболее часто ионную хроматографию используют для определения:
– анионов неорганических кислот (HCl, HNO3, H2S, H3BO3 и др.);
– моно- и дикарбоновых кислоты;
– щелочных и щелочноземельных металлов;
– анионных комплексов переходных металлов;
– оксоанионов;
– алифатических аминов;
– оксидов азота, серы и фосфора.
Скачать 0.77 Mb.