Прямой ввод

Прямой ввод образца в испаритель хроматографа (или в аналогичное устройство спектрометра) применим только в некоторых исключительных случаях, когда концентрация в воде целевых компонентов достаточна для их обнаружения с помощью чувствительных хроматографических или спектральных (в случае металлов) детекторов [1, 10].

Этот способ прост, и при его реализации практически не возникает артефактов. Погрешность определения при прямом вводе пробы воды может быть связана лишь с недостаточной воспроизводимостью дозирования (микрошприцем) и чаще всего имеет весьма слабое влияние, или с возможным изменением состава образца из-за термодеструкции при высокой температуре испарителя (выше 200 °С).

Хроматографические методы

Концентрация обычно присутствующих в воде загрязнителей лежит в интервале от 1 мкг/л (1 ppb) до 1 нг/л (1 ppt). Для их определения требуются детекторы с наивысшей чувствительностью, поскольку пределы обнаружения большинства методик близки к значениям ПДК. При определении загрязнений воды используют те же газохроматографические детекторы, что и в анализе воздуха (табл. II.1-A).

Таблица И. 1-А. Характеристики общеупотребительных газохроматографических детекторов 111

* 1 пг = 0,1 пг/с, ** детектор Холла; *** ИК-фурье.

Универсальность пламенно-ионизационного детектора может оказаться недостатком при проведении анализа содержания определенного соединения в сложной матрице. В этом случае может потребоваться более селективный детектор для уменьшения числа пиков мешающих компонентов. Важно также помнить, что ПИД дает сравнительно слабый отклик на вещества с малым содержанием углерода, особенно имеющие в молекуле гетероатомы (например, тригалогенметаны).

Электронозахватный детектор чаще всего используют для определения галогенсодержащих ДОС, таких как хлороганические пестициды, ПХБ, полихлорированные дибензо-л-диоксины и дибензофураны, тригалогенметаны и др. Этот детектор очень хорошо зарекомендовал себя при прямых анализах «чистых» образцов — питьевых и подземных вод. Однако в случае поверхностных и сточных вод, содержащих множество ДОС различных классов, при использовании ЭЗД возникают трудности, что связано с неадекватной (часто неизвестной) реакцией этого детектора на многие соединения [1,4,6, 7J. Правильная пробоподготовка в данном случае имеет чрезвычайно важное значение [4, 5].

Термоионный (азотно-фосфорный) детектор является модификацией ПИД, в которой используется таблетка или шарик из рубидиевого стекла, вызывающие при нагревании в пламени селективное повышение эффективности ионизации ДОС, содержащих атомы азота и фосфора. В их число входит множество гербицидов, инсектицидов и фунгицидов.

Последовательное соединение ФИД и ЭПД (детектор Холла) рекомендуется ЕРА для анализа ароматических и галогенсодержащих ДОС [ 1J. При детектировании галогенсодержащих углеводородов посредством ЭПД выходящее из колонки вещество восстанавливается водородом в никелевой реакционной трубке при 85 °С с образованием газообразного галогеноводорода, который в свою очередь растворяется в «-пропаноле. Изменение проводимости растворителя преобразуется в сигнал детектора. Хотя эта комбинация является вполне пригодной, сотрудники европейских лабораторий предпочитают при проведении подобных работ использовать селективный масс- спектрометрический детектор.

К сожалению, селективные детекторы могут давать ложную информацию о природе элюируемого вещества, и очень часто положительный отклик ЭЗД ошибочно интерпретируется как признак наличия в образце пестицидов, ПХБ, хлорфенолов и др. По этой причине при работе с селективными детекторами рекомендуются двухколоночные схемы анализа, чтобы исключить получение ложно-положительного ответа [1,4].

Масс-спектрометрический детектор представляет собой очень популярную настольную модель квадрупольного масс-спектрометра. Он может рассматриваться как особая разновидность ионизационного детектора для газовой хроматографии. С помощью современных систем ГХ/МС при работе в режиме селективного детектирования ионов (масс-фрагментография) легко регистрируются пикограммовые уровни содержаний. Интересной особенностью такого режима является возможность использования внутреннего стандарта со свойствами, очень близкими химическим, физическим и хроматографическим свойствам целевого компонента. Например, в случае анализа ПАУ лучшим внутренним стандартом будут меченные дейтерием полиядерные ароматические углеводороды.

Сравнительно новый атомно-эмиссионный детектор сконструирован специально для нужд капиллярной газовой хроматографии. При использовании элементспецифичного АЭД возможно достижение пределов детектирования на уровне 0,1 пг/с для металлоорганических соединений и 0,2 пг/с для углеводородов; 1 пг/с для серо- и 15 пг/с для азотсодержащих компонентов [4]. Достоинство этого метода в его чрезвычайно высокой селективности по отношению ко всем элементам.

В отличие от ЭЗД атомно-эмиссионный детектор позволяет аналитику различать галогенорганические соединения, например фтор-, хлор- и броморганические ДОС, или осуществлять многоэлементные анализы, просто задавая предварительно, какие атомы будут детектироваться.

В АЭД выходящие из колонки вещества атомизируются в высокоэнергетическом источнике; образовавшиеся возбужденные атомы излучают свет при возвращении в основное состояние. Излучаемый свет с различными длинами волн диспергируется в спектрометре, измерения проводят с помощью диодной матрицы. Каждый химический элемент имеет свой собственный типичный эмиссионный спектр, в котором эмиссионные линии обычно образуют кластеры с постоянным соотношением интенсивностей внутри кластера [ 1 ].

Введение диодно-матричной технологии сделало возможным многоволновое детектирование, положенное в основу метода [15]. Количественная обработка полученных при многоэлементом анализе данных позволяет вычислить эмпирическую формулу, давая информацию, дополняющую результаты масс-спектральной идентификации.

Количественное определение с помощью АЭД существенно упрощается, поскольку калибровка больше не зависит от типа определяемого соединения; нетоксичные вещества можно использовать в качестве эталона для количественного определения токсичных компонентов.

В случае комбинированной системы, состоящей из газовой хроматографии и ИК-фурье спектроскопии, ИК-спектры элюируемых компонентов регистрируются последовательно по мере их выхода из колонки. Элюат поступает в световую трубку, в которой молекулы поглощают излучение с точно определенной частотой. Чувствительность детектирования зависит от наличия в составе молекулы тех или иных функциональных групп. Если молекула сильно поглощает ИК-излучение, хорошие спектры можно получить при поступлении в детектор всего лишь 1 нг вещества. Современные компьютеризированные ИК-спектрометры с преобразованием Фурье дают возможность сравнивать полученные спектры с библиотечными, помогая таким образом идентификации веществ, в то время как анализ специфичных данных по веществам позволяет определить, к какому классу ДОС они принадлежат, и идентифицировать таким образом альдегиды, кетоны, спирты и др. [4].

ИК-спектры единственным образом дополняют масс-спектры, особенно при необходимости определения изомеров (например, дихлорбензолов, динитротолуолов и др.), масс-спектры которых очень близки и поэтому неинформативны. Комбинация ГХ/МС с ГХ/ИК-фурье является очень эффективным методом идентификации неизвестных соединений.

Комбинированные системы подобного рода (ГХ/МС, ГХ/ИК-фурье и ГХ/АЭД) являются наиболее эффективными из доступных приборов. Наряду с высокой чувствительностью они обеспечивают высокую селективность, базирующуюся на структурном анализе неизвестных компонентов [16].

Возможности такого рода аналитических систем были существенно улучшены при использовании полых кварцевых капиллярных колонок с привитой фазой, поскольку малый расход газа-носителя позволил обходиться без специальных интерфейсов: капиллярные колонки можно «напрямую» присоединять к различным спектрометрам. Использование в экоаналитике капиллярных колонок (чаще всего с силиконовыми НЖФ) является оптимальным вариантом, так как сложные смеси загрязнений воздуха, воды и почвы состоят из сотен компонентов. Наилучшие результаты при анализе загрязнений окружающей среды достигнуты при применении коммерчески доступных кварцевых капилляров с различной толщиной пленки неподвижной фазы из метилсиликонов и метилфенилсиликонов с содержанием фенильных групп 5 и 50% [1, 17].

Системы ГХ/МС, ГХ/ИК-фурьс и ГХ/АЭД обычно работают в качестве отдельных приборов, однако неразрушающий способ работы ИК-спектро- метра делает сочетание ГХ/ИК/МС заманчивой комбинацией, лишь недавно ставшей коммерчески доступной. Соответствующее программное обеспечение позволяет одновременно регистрировать И К- и масс-спектры элюируемых из колонки веществ. В принципе возможно также применение сочетания ГХ/ИК-фурье/МС/АЭД при использовании интерфейса с постоянным делением потока выходящего из колонки газа на части — для системы ИК/МС и для атомно-эмиссионного детектора [4].

Приведем несколько примеров прямого анализа летучих органических соединений (ДОС) в питьевой и природной водах методом газовой хроматографии.

Вода давно уже стала главным объектом для аналитиков во многих странах, и для ее анализа используют все основные методы экологической аналитической химии, в том числе и гибридные. Тем не менее газовая хроматография остается главным методом определения в воде примесей токсичных химических соединений.

Проблема водоснабжения городов и качества питьевой (водопроводной) воды сейчас уже вышла на первый план при решении социальных, экономических и экологических проблем мегаполисов. Московскому водопроводу 220 лет — его строительство было начато в 1778 г. по указу императрицы Елизаветы II. Сейчас Москва потребляет более 6 млн м³ питьевой воды вдень, а ее качество проверяется по 200 параметрам специалистами Гос- комсанэпиднадзора, Госстандарта и Мосводоканала.

Предварительная очистка и хлорирование московской питьевой воды делают ее в принципе безопасной для человека, хотя состав и качество ее несколько ухудшаются во время паводков, когда с полей Подмосковья в реки и водоемы попадают навоз и удобрения.

Контролю качества питьевой воды придают большое значение во многих странах. В США и ЕС разработан целый ряд стандартов (стандартные методики ЕРА и ЕС), регламентирующих содержание в воде пестицидов, ПАУ, фенолов, диоксинов, металлов, металлоорганических соединений и ЛОС [1,6]. Аналогичные стандарты существуют в России [2, 4, 90, 135].

На рис. П.2 приведена хроматограмма, иллюстрирующая скрининг галогенметанов, растворенных в хлорированной питьевой воде [3]. Хроматограмма получена в результате прямого ввода пробы в испаритель хроматографа с ЭЗД и кварцевой капиллярной колонкой (30 м х 0,32 мм, пленка 1,8 мкм) с DB-624 при программировании температуры в интервале 104-150 °С со скоростью 10 °С/мин. Перед разделительной колонкой помещался короткий кварцевый капилляр (4 м х 0,32 мм) —

Рис. 11.2. Хроматограмма тригалогенметанов, растворенных в питьевой воде [3]. Пояснения даны в тексте. А — стандартная смесь тригалогенметанов (количество каждого компонента 60 пг). Б — компоненты реальной пробы питьевой воды (общая концентрация около 105 ppb).

форколонка (см. ниже). Температура испарителя также программирование) повышалась (быстрый нагрев) от 30 (2,4 с) до 250 °С со скоростью 180 °С/мин. Линейная скорость газа-носителя (гелия) 20 см/с.

Как следует из хроматограмм А и Б на рис. II.2, в этих условиях получено полное разделение всех тригалогенметанов — хлороформа, дихлорброммета- на и трибромметана. При этом хорошее разделение получено не только для стандартных соединений (А), но и для компонентов реального образца воды (Б). Кроме того, при использовании ЭЗД отмечен значительный сигнал детектора на хлор в реальной пробе уже после элюирования самой воды (Б).

На этих принципах основана стандартная газохроматографическая методика, принятая в ЕС для определения галогенметанов в «чистых» водах (питьевая и природные воды), которая предполагает прямой ввод пробы воды в хроматограф [1].

Пробоподготовка

Для отбора проб воды используют стеклянные емкости с завинчивающимися крышками (40—120 мл). Емкости должны быть заполнены полностью, чтобы избежать испарения летучих соединений в газовую фазу над пробой. Пробы могут храниться максимум двое суток при температуре 4 °С. Пробы вносят во флаконы без предварительной пробоподготовки.

Анализ

Пробу воды (1 мкл) анализируют на хроматографе с ЭЗД (300 °С) и кварцевой капиллярной колонкой (30 м х 0,53 мм) с толстой (1 мкм) пленкой неподвижной фазы (силикона НР-1) и дезактивированной капиллярной форколонкой (5 м х 0,53 мм) при программировании температуры в интервале 50—200 °С (скорость 10 °С/мин).

Газ-носитель водород. Расход газа для ЭЗД (аргон/метан) составляет 60 мл/мин. Хроматограф оснащен автоматическим дозатором проб воды и системой ввода (дозирования) — холодный прямой ввод в капиллярную колонку.

На рис. П.З представлена хроматограмма, полученная методом ГХ/МС (для более надежной идентификации целевых компонентов) при прямом вводе пробы воды с добавкой тригалогенметанов (их концентрация в растворе 30—150 ppb). При прямом дозировании воды получены симметричные пики галогенметанов. Однако, чтобы избежать уширения пиков, надо обязательно применять форколонки (см. выше). При прямом вводе воды их внутренняя поверхность должна быть покрыта полиэтиленгликолем или другой фазой средней полярности. Капилляр из плавленого кварца с диметилсиликоновой фазой или силанзированной внутренней поверхностью для этой цели не подходит.

Следует также отметить, что градуировочные растворы, полученные введением тригалогенметанов в пробы чистой воды, нестабильны и должны готовиться заново для каждой серии анализов.

Этот метод можно использовать только для анализа сравнительно чистых образцов, не содержащих загрязняющих форколонку нелетучих компонентов.

Странная форма пика воды, выходящей из колонки первой, очень типична для такого анализа. Задний фронт этого пика не должен быть слишком размытым (см. рис. П.З), и вода должна выходить до появления хлороформа. Если пики воды и хлороформа перекрываются, следует сменить форколонку.

Рис. 11.3. Прямой ввод и анализ с масс-спектральным детектором пробы чистой воды с добавкой тригалогенметанов. 1 — Хлороформ (150 ppb), 2 — дихлорбромметан (50 ppb), 3 — дибромхлорметан (120 ppb), 4 — бромоформ (30 ppb) [ 1 ].

Применяя ЭЗД, можно прямым вводом определять пестициды и хлоруг- леводороды в природных водах [3]. Пестициды (проба воды 0,1 мкл) разделяли на кварцевой капиллярной колонке (30 м х 0,53 мм, пленка 0,5 мкм) с RT-5 (фенилметилсиликон) или RT-1701 (цианпропилфенилметилсили- кон) при программировании температуры колонки в интервале 150—275 °С со скоростью 4—6 °С/мин. Газ-носитель водород (40 см/с), температура испарителя 250—300 °С.

Полученные в этих условиях хроматограммы приведены на рис. II.4. Из рисунка следует, что контролируемые компоненты (пестициды) элюируются из колонок с неполярной (А) и полярной (Б) стационарными фазами по- разному, что может послужить дополнительной основой для их более надежной идентификации (подробно об этом приеме — в монографии [4]).

Рис. II.4. Хроматограммы пестицидов в природных водах, полученные при прямом вводе пробы [3]. Пояснения в тексте. Концентрация каждого компонента 1 нг/мл. А — неподвижная фаза RT-5; Б — фаза RT-1701.

Рис. II.5. Хроматограммы хлоруглеводородов в природных водах [3]. Пояснения в тексте. А — капиллярная колонка с RT-35; Б — с RT-5.

Прямой ввод анализируемой воды позволяет определять следовые количества тяжелых хлоруглеводородов в природных водах (методика ЕРА 612) [3]. Пробу воды (0,2 мкл) вводили в испаритель хроматографа (200/300 °С) с ЭЗД и кварцевой капиллярной колонкой (30 м х 0,53 мм, пленка 0,5 мкм) с RT-35 (полидиметилдифенилсилоксан) и RT-5 (фенил - метилсиликон) при программировании температуры в пределах 40—280 °С со скоростью 8 °С/мин. Газ-носитель гелий (20 см/с, 2,6 мл/мин). Хроматограммы хлоруглеводородов изображены на рис. 11.5.

Как следует из рис. II.2—И.5, использование ЭЗД, селективного по отношению к галогенсодержащим ДОС и обладающего феноменальной чувствительностью (на уровне фемтограммов) к этим приоритетным загрязнителям воды [4j, позволяет определять целевые компоненты на уровне ppb без предварительного концентрирования. При этом возможность образования артефактов минимальна, а использование ЭЗД и хроматографирования пробы воды на двух параллельных колонках с НЖФ различной полярности дает возможность значительного повышения надежности идентификации контролируемых компонентов по сравнению с традиционными методами.

Низкомолекулярные спирты и тетрахлорэтилен определяли методом ГХ/ПИД в грунтовых водах при непосредственном вводе пробы в испаритель газового хроматографа с капиллярной колонкой (30 м х 0,24 мм) с полисилок- саном DB-624 (пленка 1,8 мкм). Определению не мешают минеральные соли и ПАВ [198]. ГХ/МС использовали для определения в питьевой воде ароматических углеводородов (бензола, толуола, этилбензола и ксилолов) [ 199], а также алкилбензолов, тригалогенометанов, галогенуглеводородов и фреонов [200]. Техника прямого ввода (холодный ввод) применялась и для быстрого газохроматографического определения термолабильных N-карбаминатных пестицидов — пропоскура, карбофурана, карбарила и метиокарба [201].

Прямой ввод образца воды (или экстракта из почвы, атмосферных аэрозолей или снеговой воды) использовали при определении 12 приоритетных ПАУ [474]. Анализ осуществляли на короткой колонке малого диаметра (7,5 см х 2 мм), а идентификацию — по временам удерживания целевых соединений и по спектральным характеристикам детекторов.

Высокой чувствительностью к галогенсодержашим ЛОС обладает и гелиевый ионизационный детектор (ГИД). Это позволяет использовать его для прямого (без предварительного концентрирования компонентов) обнаружения в питьевой воде очень низких (ppb) содержаний хлоруглеводоро- дов, образовавшихся при хлорировании воды [18].

Прямой ввод образца используют и при определении в воде катионов и анионов методом капиллярного электрофореза. Анализ выполнялся на серийных отечественных приборах «Капель» (модель 103Р, 104 и 104Т), оснащенных фотометрическим детектором (254 нм) и кварцевым капилляром (30—100 см х 25—100 мкм). Действие прибора фирмы «Люмекс» основано на миграции и разделении растворенных в воде ионов под действием электрического поля. «Капель» позволяет за один прямой ввод пробы идентифицировать и количественно определить несколько компонентов растворенной в воде смеси солей металлов (табл. 11.2).

Метод капиллярного электрофореза характеризуется очень высокой эффективностью (сотни тысяч теоретических тарелок), что служит в известной мере залогом успешной идентификации целевых компонентов, и простой пробоподготовкой (в основном лишь фильтрация и дегазирование).

Для исследования глобальных биогеохимических циклов была разработана методика ГХ/МС/ИНП многоэлементного детектирования газов в водных растворах с одновременным анализом соответствующих стабильных изотопов [9]. Для летучих соединений селена, ртути, олова и свинца Сн составляет 0,4—10 фМ/л. Эту технику можно использовать и для изучения обмена следов элементов в газовой фазе окружающей среды. Обсуждаются возможности корректного определения в сточных водах ЛОС различных классов методом ГХ/ИК-фурье [20].

Таблица II.2. Контроль качества вод и напитков методом капиллярного электрофореза