Применение хроматографических методов анализа в области охраны окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеративное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский Государственный технический университет.

Кафедра «Химия».

на тему: «Применение хроматографических методов анализа в области охраны окружающей среды»

Выполнила: студентка группы

Проверила: Давыдова О.А.

Введение

Глава 1. Хроматография в современной химии

Глава 3. Примеры применения хроматографии в анализе объектов окружающей среды

Литература

Введение

Исключительно мощное средство контроля загрязнения различных объектов окружающей среды - хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов. Наибольшее значение приобрели тонкослойная, газожидкостная и высокоэффективная жидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография хороша при определении пестицидов и других органических соединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна при анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ. Применение различных детекторов, например малоизбирательного детектора по теплопроводности - катарометра и избирательных - пламенно-ионизационного, электронного захвата, атомно-эмиссионного, позволяет достигать высокой чувствительности при определении высокотоксичных соединений. Высокоэффективную жидкостную хроматографию применяют при анализе смесей многих загрязняющих веществ, прежде всего нелетучих. Используя высокочувствительные детекторы: спектрофотометрические, флуориметрические, электрохимические, можно определять очень малые количества веществ. При анализе смесей сложного состава особенно эффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно с масс-спектрометрией. В последнем случае роль детектора играет подключенный к хроматографу масс-спектрометр. Обычно приборы такого типа оснащены мощным компьютером. Так определяют пестициды, полихлорированные бифенилы, диоксины, нитрозоамины и другие токсичные вещества. Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного составов вод.

Глава 1. Хроматография в современной химии

Одна из важных задач современной химии - надежный и точный анализ органических веществ, часто близких по строению и свойствам. Без этого невозможно проведение химических, биохимических и медицинских исследований, на этом в значительной степени базируются экологические методы анализа окружающей среды, криминалистическая экспертиза, а также химическая, нефтяная, газовая, пищевая, медицинская отрасли промышленности и многие другие отрасли народного хозяйства. Один из наиболее чувствительных методов - хроматографический анализ, впервые предложенный российским ученым М.С.Цветом в начале XX в. и к концу века превратившийся в мощнейший инструмент, без которого уже не могут обходиться как синтетики, так и химики, работающие в других областях.

Разделение Цвет проводил в колонке, показанной на рис. 1. Смесь веществ А, Б и В - природных пигментов, первоначально находящихся в зоне е, - разделяется при приливании соответствующего растворителя Д (элюент) на отдельные зоны.

Рис. 1. Хроматографическое разделение пигментов хлорофилла М.C.Цветом: а - адсорбент; б - колонка; в - приемник; г - делительная воронка; д - вата.

Рис. 2. Основной принцип хроматографического разделения: НФ - слой неподвижной фазы, покрывающей внутреннюю поверхность капиллярной трубки Т, через которую течет подвижная фаза (ПФ). Компонент А1 разделяемой смеси обладает большим сродством к подвижной фазе, а компонент А2 - к неподвижной фазе. А '1 и А '2 - положения зон тех же компонентов через промежуток времени, за которое происходило хроматографическое разделение в направлении, указанном стрелкой

Следует отметить, что этот современный метод позволяет в течение нескольких минут определить содержание десятков и сотен различных соединений в смеси, причем даже в ничтожных, «следовых» количествах ~10-8%. [1-3]

Хроматографический способ анализа.

Хроматография, начавшись с самодельных устройств типа полоски бумаги, опущенной в растворитель, в настоящее время представлена сложнейшими инструментальными системами, основанными на современных точнейших, или прецизионных, принципах и оснащенными компьютерным обеспечением. Схема процесса хроматографирования, в сущности, очень проста и показана на рис. 3. Далее примерно в такой последовательности будет рассмотрен принцип работы хроматографа.

Хроматографические методы часто оказываются незаменимыми для идентификации и количественного определения органических веществ со сходной структурой. При этом наиболее широко используемыми для рутинных анализов загрязнителей окружающей среды являются газовая и высокоэффективная жидкостная хроматография.

Газохроматографический анализ органических загрязнителей в питьевой и сточных водах сначала основывался на использовании насадочных колонок, позднее распространение получили и кварцевые капиллярные колонки. Внутренний диаметр капиллярных колонок составляет обычно 0,20-0,75 мм, длина - 30-105 м. Оптимальные результаты при анализе загрязнителей в воде достигаются чаще всего при использовании капиллярных колонок с различной толщиной пленки из метилфенилсиликонов с содержанием фенильных групп 5 и 50%. Уязвимым местом хроматографических методик с использованием капиллярных колонок часто становится система ввода пробы. Системы ввода пробы можно подразделить на две группы: универсальные и селективные. К универсальным относятся системы ввода с делением и без деления потока, “холодный” ввод в колонку и испарение при программировании температуры. При селективном вводе используют продувку с промежуточным улавливанием в ловушке, парофазный анализ и т.д. При использовании универсальных систем ввода в колонку поступает вся проба полностью, при селективной инжекции вводится только определенная фракция. Результаты, получаемые при селективном вводе, являются существенно более точными, поскольку попавшая в колонку фракция содержит только летучие вещества, и техника при этом может быть полностью автоматизирована.

Газохроматографические детекторы, используемые в мониторинге загрязнителей, часто подразделяют на универсальные, откликающиеся на каждый компонент в подвижной фазе, и селективные, реагирующие на присутствие в подвижной фазе определенной группы веществ со сходными химическими характеристиками. К универсальным относятся пламенно-ионизационный, атомно-эмиссионный, масс-спектрометрический детекторы и инфракрасная спектрометрия. Селективными детекторами, используемыми в анализе воды, являются электронно-захватный (селективен к веществам, содержащим атомы галогенов), термоионный (селективен к азот- и фосфорсодержащим соединениям), фотоионизационный (селективен к ароматическим углеводородам), детектор по электролитической проводимости (селективен к соединениям, содержащим атомы галогенов, серы и азота). Минимально детектируемые количества веществ - от нанограммов до пикограммов в секунду.

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) является идеальным методом для определения большого числа термически неустойчивых соединений, которые не могут быть проанализированы с помощью газовой хроматографии. Объектами анализа методом жидкостной хроматографии в настоящее время часто становятся современные агрохимикаты, в число которых входят метилкарбонаты и фосфорорганические инсектициды, другие нелетучие вещества. Высокоэффективная жидкостная хроматография получает все большее распространение среди других методов, применяемых в мониторинге окружающей среды, еще и потому, что имеет блестящие перспективы в плане автоматизации пробоподготовки.

Колонки для ВЭЖХ, которые чаще всего используют в анализах загрязнителей окружающей среды, имеют длину 25 см и внутренний диаметр 4,6 мм, заполняются они сферическими частицами силикагеля размером 5-10 мкм с привитыми октадецильными группами. В последние годы появились колонки с меньшим внутренним диаметром, заполненными частицами меньшего размера. Использование таких колонок приводит к уменьшению расхода растворителей и продолжительности анализа, увеличению чувствительности и эффективности разделения, а также облегчает проблему подключения колонок к спектральным детекторам. Колонки с внутренним диаметром 3,1 мм снабжают предохранительным картриджем (форколонкой) для увеличения срока службы и улучшения воспроизводимости анализов.

В качестве детекторов в современных приборах для ВЭЖХ используются обычно УФ-детектор на диодной матрице, флуоресцентный и электрохимический.

Электроаналитические методы, которые обычно применяют в анализе воды для определения неорганических компонентов, часто уступают по чувствительности методам газовой и жидкостной хроматографии, атомно-адсорбционной спектрометрии. Однако здесь используется более дешевая аппаратура, иногда даже в полевых условиях. Основными электроаналитическими методами, применяемыми в анализе воды, являются вольтамперометрия, потенциометрия и кондуктометрия. Наиболее эффективными вольтамперометрическими методами являются дифференциальная импульсная полярография (ДИП) и инверсионный электрохимический анализ (ИЭА). Сочетание этих двух методов позволяет проводить определение с очень высокой чувствительностью - приблизительно 10-9 моль/л, аппаратурное оформление при этом несложно, что дает возможность делать анализы в полевых условиях. На принципе использования метода ИЭА или сочетания ИЭА с ДИП работают полностью автоматизированные станции мониторинга. Методы ДИП и ИЭА в прямом варианте, а также в сочетании друг с другом используют для анализа загрязненности воды ионами тяжелых металлов, различными органическими веществами. При этом часто способы пробоподготовки являются гораздо более простыми, чем в спектрометрии или газовой хроматографии. Преимуществом метода ИЭА является (в отличие от других методов, например, атомно-адсорбционной спектрометрии) также способность “отличать” свободные ионы от их связанных химических форм, что важно и для оценки физико-химических свойств анализируемых веществ, и с точки зрения биологического контроля (например, при оценке токсичности вод). Время проведения анализа иногда сокращается до нескольких секунд за счет повышения скорости развертки поляризующего напряжения.

Потенциометрия с применением различных ионоселективных электродов используется в анализе воды для определения большого числа неорганических катионов и анионов. Концентрации, которые удается определить таким способом, 100 -10-7 моль/л. Контроль с помощью ионоселективных электродов отличается простотой, экспрессностью и возможностью проведения непрерывных измерений. В настоящее время созданы ионоселективные электроды, чувствительные к некоторым органическим веществам (например, алкалоидам), поверхностно-активным веществами и моющим веществам (детергентам). В анализе воды используются компактные анализаторы типа зондов с применением современных ионоселективных электродов. При этом в ручке зонда смонтирована схема, обрабатывающая отклик, и дисплей.

Кондуктометрия используется в работе анализаторов детергентов в сточных водах, при определении концентраций синтетических удобрений в оросительных системах, при оценке качества питьевой воды. В дополнение к прямой кондуктометрии для определения некоторых видов загрязнителей могут быть использованы косвенные методы, в которых определяемые вещества взаимодействуют перед измерением со специально подобранными реагентами и регистрируемое изменение электропроводности вызывается только присутствием соответствующих продуктов реакции. Кроме классических вариантов кондуктометрии применяют и ее высокочастотный вариант (осциллометрию), в котором индикаторная электродная система реализуется в кондуктометрических анализаторах непрерывного действия.

В связи с тем, что в организме человека, как и многих других живых существ, по крайней мере, 80% приходится на долю воды, правомерно говорить о "внутренней водной среде" и о соответствующих объектах анализа. Эта категория объектов включает гомогенизаты и экстракты тканей различных органов и биологические жидкости, к числу которых относятся плазма крови, лимфа, слюна, моча, желчь, желудочный сок, спинно-мозговая жидкость и другие (схема 2). Как в первой, так и во второй группе объектов в анализируемых пробах могут присутствовать весьма разнообразные вещества, детальный анализ которых требует применения различных аналитических методов. Так, например, растворенные газы в морских и подземных водах, а также и в крови человека, определяют с помощью спектральных методов и в ряде случаев с помощью газовой хроматографии. Металлы, присутствующие в водных объектах, анализируют с помощью атомной абсорбционной спектроскопии или эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой. Очень малые следовые примеси многих элементов в водной среде определяют с помощью радиоактивационного анализа, а состав присутствующих в водной среде анионных составляющих анализируют методом ионной хроматографии.

Как и любой другой аналитический метод, газовая хроматография может дать корректную объективную информацию о составе водных объектов при условии достаточно правильного выполнения предварительных операций по отбору представительных проб анализируемых вод, извлечения и концентрирования, подлежащих определению компонентов и их групп и ввода их в хроматографическую систему.

Объектами газохроматографического определения в водных средах могут быть растворенные газы и органические соединения с молекулярной массой от 16-30 (метан, этан) до 400-500 и более. Состав примесей может довольно быстро изменяться вследствие целого ряда причин. Поэтому время от момента отбора проб до выполнения анализа или предшествующих ему операций, обеспечивающих консервацию их состава, должно быть по возможности малым.

Для извлечения определяемых компонентов из водных матриц применяют методы экстракции малыми объемами органических растворителей с последующим концентрированием путем отгонки экстрагента (рис. 1); твердофазной экстракции с сорбцией определяемых компонентов на адсорбентах с привитой органической неподвижной фазой (углеводородными радикалами от С2H5 до С20Н41, либо функционально замещенными фрагментами с нитрильными, аминными или диольными группами).

Рис. 1. Типичные хроматограммы нефтяных загрязнений, экстрагированных из воды Таганрогского залива: а) - август 1991 г.; б) - октябрь 1991 г.

Таким способом, например, подробно изучен состав хлорсодержащих микропримесей, образующихся при хлорировании питьевой воды (рис. 2). При извлечении микропримесей полярных веществ, хорошо растворимых в воде, применяют метод экстракции полярными водорастворимыми экстрагентами (спиртом, ацетоном) с предварительным насыщением водных проб неорганическими солями (высаливание хлоридом натрия или сульфатом аммония).

Рис. 2. Хроматограмма летучих органических соединений, содержащихся в пробе хлорированной питьевой воды. Капиллярная колонка длиной 50 м и диаметром 0,25 мм с силиконовой смазкой "Эдвардс" в качестве неподвижной фазы. Пики, обозначенные цифрами, идентифицированы. Пик 9 - хлороформ

Собственно газохроматографический анализ в большинстве случаев в настоящее время осуществляют с применением высокоэффективных капиллярных колонок в условиях программирования температуры от 50-100 °С до 300-350 °С (и даже до 400 °С и выше). Скорость нагрева колонок при этом может изменяться от 3-5 до 20-30 град/мин в зависимости от характера разделяемых компонентов. Идентификацию пиков на хроматограммах выполняют с применением известных хроматографических зависимостей индексов удерживания от температур кипения и от молекулярной массы веществ. Для той же цели применяют селективные детекторы (например, электронно-захватный), термоионные хемилюминесцентные, атомно-абсорбционные, масс-селективные и др.

Наиболее полную информацию о молекулярном строении определяемых веществ позволяют получить методы хромато-масс-спектрометрии и газовой хроматографии с ИК-Фурье спектроскопическим детектором. Особенно плодотворным оказалось использование этих двух методов при определении пестицидов, полихлорированных бифенилов, диоксинов и им подобных веществ, продуктов распада токсичных ракетных топлив и боевых отравляющих веществ в объектах окружающей среды (рис. 3).

Рис. 3. Хроматограмма воды реки Оук Крик (США), содержащей пестициды: 1 - Дикамба (4,7 мкг/л); 2 - 2,4-D (7,0 мкг/л); 3 - Силвекс (4,5 мкг/л); 4 - 2,4,5-Т (5,2 мкг/л); 5 - Пиклорам (3,3 мкг/л); 6 - внутренний стандарт

В ряде случаев применение селективных детектирующих систем позволяет не только повысить чувствительность определения целевых компонентов, но и выявить источники загрязнения водной среды. Так, например, применение хемилюминесцентного озонового детектора с высокой специфической чувствительностью к веществам, содержащим серу, позволяет зафиксировать профиль серосодержащих соединений нефти и нефтяных топлив. Эти компоненты значительно более устойчивы в водной среде, чем углеводородные составляющие нефтепродуктов, поэтому совпадение таких профилей позволяет с большой степенью достоверности указать источник нефтяного загрязнения данного водного бассейна (рис. 4), .

Кварцевая капиллярная колонка длиной 25 м и диаметром 0,25 мм с полидиметилсилоксаном SE-54 в качестве неподвижной фазы. Программирование температуры от 60 до 280 °C cо cкоростью нагрева 10 град/мин: 1 - метилбензотиофены; 2 - диметилбензотиофены; 3 - дибензотиофен; 4 - метилдибензотиофены; 5 - диметилдибензотиофены

Большие возможности газохроматографического анализа в настоящее время определенно позволяют осуществить достаточно полный анализ водных проб практически любого происхождения, в том числе питьевых, речных, озерных и морских вод, сточных вод коммунальных систем и промышленных предприятий. В ряде случаев такие анализы могут быть проведены в полевых условиях непосредственно в местах отбора проб. Тем не менее, пока не существует методов, позволяющих провести полный анализ водных проб в единой системе без проведения предварительных лабораторных операций, часто трудоемких и длительных. Перспективными для создания таких методов следует считать хроматографические системы с использованием в качестве подвижных фаз парообразных и сверхкритических сред (в том числе паров воды). Широко используется газовая хроматография также и для анализа объектов внутренней водной среды. При этом применяется весь арсенал технических приемов, разработанных за 50 лет развития газовой хроматографии: высокоэффективные капиллярные колонки, высокочувствительные селективные детекторы, комбинированные аналитические системы, сочетающие газовую хроматографию с масс-спектрометрией и с ИК-спектроскопией с Фурье-преобразованием. В этой области сложились два основных направления аналитических исследований. С одной стороны, это изучение состава естественных сред организма (плазмы крови, мочи, слюны, спинномозговой жидкости и др.) с целью выявления изменений этого состава в зависимости от физиологических особенностей организма, наличия патологических изменений и тому подобных факторов. В настоящее время это направление газохроматографического анализа внутренней водной среды организма отражено в ряде руководств и монографий. Показано, что во многих случаях газохроматографический анализ позволяет выявить на ранней стадии целый ряд заболеваний и таким образом ускорить их лечение (рис. 5). При таких исследованиях широко используют экстракцию целевых компонентов растворителями, твердофазную экстракцию и метод анализа равновесного пара (рис. 6).

Рис. 5. Метаболический профиль стероидов из мочи пациента с опухолью яичника, секретирующей тестостерон. Идентифицированы все компоненты. Увеличенное содержание компонентов 1, 2, 4 и 7 указывает на наличие опухоли (1 - андростерон; 2 - этиохоланон; 4 - 11b-оксиандростерон; 7 - прегнантриол)

Рис 6. Хроматограмма летучих органических соединений мочи, полученная на капиллярной колонке с полисилоксановой неподвижной фазой БС-2 в условиях программирования температуры: 1 - ацетон; 3 - этанол; 6 - 2-пентанон; 7 - н-пропанол; 10 - диметилдисульфид;13 - 4-гептанон; 14 - н-бутанол; 15 - 2-гептанон; 29 - пиррол; 45 - карвон

Вторым важным направлением в анализе объектов внутренней водной среды является выявление чужеродных для организма соединений (фармацевтических препаратов, разного рода ядов, алкоголя, других наркотических веществ и т.п.).

Так, применение высокочувствительного термоаэрозольного детектора, избирательно регистрирующего азотсодержащие соединения, позволило регистрировать противосудорожные лекарственные средства в крови детей, больных эпилепсией, даже через 3-5 дней после их применения (рис. 7). Аналогично, с помощью селективного термоионного детектора с высокой чувствительностью регистрировали в плазме крови наличие анестезирующего препарата кетамина, находящего, к сожалению, довольно широкое применение в качестве галлюциногенного наркотика (рис. 8).

Рис. 7. Хроматограмма 0,1% раствора противоэпилептических лекарственных средств. Кварцевая капиллярная колонка длиной 10 м и диаметром 0,25 мм с полисилоксаном OV-17 в качестве неподвижной фазы: 1 - этанол; 2 - фенобарбитал; 3 - гексамидин; 4- дифенин

Рис. 8. Хроматограмма смеси компонентов плазмы крови, содержащей кетамин: а) - пламенно-ионизационный детектор; б) - термоионный детектор; 1 - кетамин; 2 - внутренний стандарт

Все перечисленные выше достижения газохроматографического метода в области анализа объектов водной среды все шире проникают из области научного эксперимента в сферы, непосредственно связанные с многими сторонами жизни современного общества. К таким областям можно отнести изучение состояния окружающей среды, контроль качества питьевой воды, сельскохозяйственной продукции и пищевых продуктов, клиническую медицину, криминалистику и ряд других.

Литература

1. Сакодынский К.И., Киселев А.В., Иогансен А.В. и др. Физико-химическое применение газовой хроматографии. М.: Химия, 1973. - 254 с.

2. Жидкостная колоночная хроматография. В 3 т. / Под ред. З.Дейла, К.Мацека, Я.Янака. М.: Мир, 1972. - 439с.

3. Березкин В.Г., Алишоев В.Р., Немировская И.Б. Газовая хроматография в химии полимеров. М.: Наука, 1972. - 287 с.

4. Морозов А.А. Хроматография в неорганическом анализе. М.: Высш. шк., 1972. - 233 с.

5. Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии / Пер. с англ. В 2 т. М.: Мир, 1979. - 324с.

6. Горелик Д.О., Конопелько Л.А., Панков Э.Д. Экологический мониторинг. В 2 т. СПб.: Крисмас, 2002. - 457с.

7. Назаркина С.Г. Определение полиароматических углеводородов в объектах окружающей среды методами жидкостной и тонкослойной хроматографии.

8. Хроматографический анализ окружающей среды. / Под ред. Р.Гроба. М.: Мир, 1979. - 606 с.