Определение хлорорганических соединений методом газовой хроматографии и парофазного анализа

В курсовой работе представлены характеристики токсичных хлорорганических соединений (ХОС), содержание которых подлежит контролю в объектах окружающей среды и продуктах питания, рассмотрены методы отбора проб и пробоподготовки для определения ХОС, включающие жидко-жидкостную экстракцию, твёрдофазную экстракцию и дериватизацию. Представлены принципы газохроматографичесого анализа и способы селективной детекции ХОС. Отдельная глава посвящена газохроматографическому парофазному анализу и его разновидностям как комплексным высокочувствительным методам количественного определения ХОС. ...

Список сокращений
Введение
1.Характеристика токсичных хлорорганических соединений, подлежащих аналитическому контролю
2.Методы отбора проб и пробоподготовки
2.1.Особенности пробоподготовки для определения ХОС
2.2.Жидко-жидкостная экстракция (ЖЖЭ)
2.3.Твёрдофазная экстракция (ТФЭ)
2.4.Дериватизация
3.Газовая хроматография как аналитический метод
4.Применение газохроматографического парофазного анализа для определения ХОС
4.1.Теоретические основы ПФА
4.2.Практическая реализация СПФА и ДПФА
Выводы
Список литературы

Загрязнение окружающей среды большим числом токсичных химических соединений, неблагоприятная экологическая ситуация в промышленных районах многих стран мира обуславливают необходимость постоянного мониторинга степени загрязнения воздуха, качества питьевой и поверхностной природной воды, накопления опасных соединений в почве и в донных отложениях водоёмов. Многие из токсичных соединений, содержание которых в окружающей среде, продуктах питания и питьевой воде строго регламентируется соответствующими нормативными документами, относятся к хлорорганическим соединениям (ХОС) [4, 5, 16].
К высокотоксичным ХОС относятся, прежде всего, хлорорганические пестициды (ХОП), бензодиоксины, бензофураны, а также хлорсодержащие углеводороды, спирты, карбоновые кислоты, ароматические и полиароматические со единения [11, 14]...
Определение ХОС в питьевой воде и воде природных водоёмов на уровне предельно допустимых концентраций представляет собой сложную аналитическую задачу, предполагающую их извлечение из исследуемого образца и последующее концентрирование. Это предполагает применение определённых методов пробоподготовки, к которым относятся жидко-жидкостная экстракция (ЖЖЭ), твёрдофазная экстракция (ТФЭ) и твёрдофазная микроэкстракция (ТФМЭ), парофазная экстракция, на которой основан парофазный анализ (ПФА)..

В процессе пробоподготовки для непосредственного анализа важным этапом является экстракция и концентрирование. Принцип данных этапов пробоподготовки заключается в переносе исследуемых веществ из главной матрицы во вторичную матрицу с последующим удалением веществ, которые мешают анализу, и повышением концентрации аналитов до уровня, необходимого для их надёжного определения используемым методом [12]. Экстракцией называют физико-химический процесс распределения вещества между двумя различными фазами. Экстракция применяется как для отделения анализируемых веществ от примесей, так и для последующего концентрирования аналита для возможности его определения с помощью газохроматографического анализа. Выбор метода экстракции обусловлен, в Рис. 1. Этапы пробоподготовки образца почвы для определения ХОС, требующей концентрирования и дериватизации аналита.первую очередь, агрегатным состоянием образца – жидким или твёрдым. Твёрдые образцы требуют растворения или обработки соответствующим растворителем для извлечения анализируемого вещества. В зависимости от наличия и количества посторонних веществ, которые могут повлиять на результат анализа, проводят очистку полученного раствора [7]. Среди многих методов экстракции для извлечения ХОС чаще всего используются жидко-жидкостная экстракция (ЖЖЭ) и её модификации, твердофазная (ТФЭ) и микротвёрдофазная экстракция (МТФЭ). Прочими методами, используемыми для экстракции ХОС из объектов окружающей среды и продуктов питания, являются экстракция в аппаратах Сокслета, ускоренная экстракция растворителем, ультразвуковая экстракция, экстракция с помощью микроволнового электромагнитного излучения, суперкритическая флюидная экстракция [12].Особым методом экстракции определяемых веществ из жидкой или твёрдой фазы является парогазовая экстракция, которая применяется непосредственно в комплексе с газохроматографическим определением соединений и составляет основу парогазового анализа [17].2.2. Жидкостно-жидкостная экстракция Жидкостно-жидкостная экстракция (ЖЖЭ) является одним из методов концентрирования анализируемых веществ и широко применяется в аналитической практике. В ходе ЖЖЭ анализируемые вещества разделяются путём распределения между двумя несмешивающимися жидкостями, как правило, между водным раствором и органическим растворителем. В зависимости от коэффициента распределения вещества, который представляет собой отношение равновесных концентраций вещества в каждой из жидкостей, его концентрация в одном из растворителей может значительно возрастать, тогда как во втором – значительно снижаться. Коэффициент распределения вещества приблизительно равен отношению его растворимостей в отдельных фазах [14]. Этот процесс можно рассматривать как способ извлечения аналита из матрицы образца и концентрирования в используемом растворителе. ЖЖЭ позволяет проводить относительное и абсолютное концентрирование веществ самой различной природы [11].Межфазное равновесие между жидкостями достигается в результате действия ряда факторов на молекулы экстрагируемого вещества и экстрагента. Одним из таких факторов является взаимодействие молекул за счет Ван-дер-Ваальсовых сил, происходящее между незаряженными молекулами. В таком виде взаимодействия взаимодействия можно выделить три слагаемые:ориентационное (диполь-дипольное) взаимодействие – возникает при наличии у несимметричных молекул постоянного диполя;индукционное взаимодействие – проявляется в тех случаях, когда постоянный диполь молекулы приводит к появлению в соседней неполярной молекуле индуцированного диполя;дисперсионное взаимодействие – происходит между неполярными молекулами.Силы Ван-дер-Ваальса относятся к слабым силам межмолекулярного взаимодействия. Они характеризуются универсальностью, проявляются во всех реальных системах и не имеют направленности. Экстракция только за счет сил Ван-дер-Ваальса имеет место при извлечении алифатических соединений алифатическими углеводородами.Вторым видом взаимодействия является сольватация молекулы растворённого вещества одной или несколькими молекулами растворителя с образованием сольвата определенного состава. Сольватация происходит в результате донорно-акцепторного взаимодействия с образованием πкомплексов или под действием межмолекулярных водородных связей.Третьим видом взаимодействия молекул в процессе экстракции является образование химических связей растворенного вещества с экстрагентом или со специально введенными в раствор соединениями, что приводит к образованию экстрагируемых соединений. Сюда относится экстракция веществ в виде солей, ионных ассоциатов, внутрикомплексных соединений.Таким образом, наиболее подходящими растворителями для извлечения ХОС, имеющими наибольшую экстракционную способность, являются хлорсодержащие углеводороды (хлороформ, дихлорметан) и полярные растворители – спирты и эфиры [12]. При проведении ЖЖЭ традиционным методом объем используемого экстрагента составляет от десятых долей миллилитра до нескольких десятков миллилитров. Это относительно большое количество экстрагента, что обуславливает чрезмерный расход высокочистых и дорогостоящих реактивов. Кроме того, существует проблема утилизация использованных растворителей, многие из которых являются токсичными веществами [15].Ещё одним недостаток традиционной ЖЖЭ заключается в низкой степени концентрирования веществ из водной фазы, что делает невозможным определение ряда ХОС на уровне предельно допустимых концентраций.Указанных недостатков лишена модификация традиционного метода ЖЖЭ – жидкофазная микроэкстракция (ЖФМЭ) и капельная микроэкстракция (экстракция в отдельную каплю). Основными отличиями данных методов от традиционного варианта является использование малых количеств экстрагента в пределах единиц микролитров. При этом соотношение объёмов фаз раствора аналита и экстрагента составляет около 102-103, что позволяет производить эффективное концентрирование исследуемого вещества [11].2.3. Твердофазная экстракцияТвёрдофазная экстракция (ТФЭ) – это метод пробоподготовки, который заключается в концентрировании и отделении от основной матрицы анализируемого вещества с применением твёрдых сорбентов с последующим его вымыванием соответствующим растворителем. ТФЭ основана на равновесном распределении растворённых веществ между жидкой (газообразной) фазой и твёрдым веществом (сорбентом). Сорбент, способный накапливать вещества на своей поверхности, называется адсорбентом, а сорбент, поглощающий растворённые вещества всем своим объёмом, – абсорбентом. Для адсорбентов важно наличие большой площади поверхности.По сравнению с жидко-жидкостной экстракцией, ТФЭ характеризуется вариативностью сил и природы взаимодействий между молекулами аналита и сорбентом. Молекулы растворённых веществ могут взаимодействовать с сорбентом посредством неполярных, полярных, электростатических взаимодействий, сил Ван-дер-Ваальса, образования водородных связей [11].-62230topВ качестве сорбентов для извлечения и концентрирования веществ из жидкой фазы, применяются следующие материалы:активированный уголь и полимеры на основе углерода (Карбовакс, Карбоксен);Рис. 2. Концентрирующие патроны для твёрдофазной экстракции.неорганические соединения (силикагель, оксид алюминия, цеолиты)гели на основе кремнийорганических полимеров (полидиметилсилоксан, полифенилсилоксан);синтетические полимерные сорбенты (тенакс, хромосорб, порапак).Для извлечения и концентрирования органических соединений, в том числе ХОС, из проб воды и анализируемых растворов применяют так называемые концентрирующие патроны, заполненные гранулами синтетического сорбента (рис. 2). Также применяются мембранные диски. Через картридж патрона пропускают раствор пробы, при этом анализируемые вещества извлекаются из раствора сорбентом. Если основная матрица имеет многокомпонентный состав, что может отразиться на экстракции анализируемого вещества, предварительно проводят фракционирование. Затем аналит элюируют из сорбента с помощью подходящего растворителя [15].Модификацией метода ТФЭ является метод микротвердофазной экстракции (МТФЭ), в котором используются микроколичества сорбента. Устройство для проведения МТФЭ представляет собой шприц, к плунжеру которого прикрепляется термостойкий фибер (кварцевый стержень), покрытый тонкой плёнкой полимерного адсорбента (рис. 3А). Извлечение компонентов из водного раствора проводится путём погружения волокна фибера в пробу, где происходит адсорбция аналитов на плёнку сорбента (рис. 3Б). Стадия десорбции совмещается с вводом пробы в хроматографическую системы, так как десорбция проводится непосредственно в испарителе газового хроматографа (рис. 3В).Существует также вариант МТФЭ, в котором плёнка полимерного сорбента наносится на миниатюрную магнитную мешалку. Она погружается в раствор пробы и анализируемое вещество адсорбируется непосредственно на поверхности магнитной мешалки [11, 12]. Недостатком метода МТФЭ является вероятность неполной десорбции определяемого вещества и высокая стоимость расходных материалов.40335204739640186499546786803759204638675 А Б ВРис. 3. Процедура проведения микротвёрдофазной экстракции: А – ручной шприц для проведения МТФЭ; Б – адсорбция аналита из раствора пробы в виале; В – ввод аналита в испаритель газового хроматографа.2.4. ДериватизацияДериватизацией называется химическая модификация определяемого вещества для перевода его в удобную аналитическую форму. Целью дериватизации является модификация физико-химических свойств аналита, улучшение чувствительности анализа, получение линейной зависимости сигнала системы детекции от концентрации определяемого вещества.При проведения дериватизации важно убедиться в том, что соответствующая реакция между аналитом и модифицирующим химическим реагентом прошла полностью. Многие реакции дериватизации проводятся по атому активного водорода в молекуле органического соединения. В случае определения ХОС методом газовой хроматографии дериватизация используется для повышения летучести высокомолекулярных хлорсодержащих веществ, для улучшения условий обнаружения и хроматографического разделения отдельных ХОС в их смеси [14]. Чаще всего применяются следующие типы реакций дериватизации:силанизация;ацилирование;образование алкил- и арилпроизводных;образование циклических соединений;присоединение по кратным связям углерод–азот, углерод–кислород, углерод–сера;присоединение по двойной связи; замещение в ароматическом кольце;окисление и восстановление.Для определения ХОС, как правило, применяют первых три типа реакций.Реакция силанизации – это химическая реакция замещения реакционно способного атом водорода в функциональных группах –ОН, –СООН, –SH, –NH, –CONH силанольной группой. Так, например, путём взаимодействия с модифицирующим реагентом триметилхлорсилоксаном, в молекулу аналита вводят триметилсилоксановую группу. Реакция ацилирования проводится аналогично путём введения ацильного остатка –R–CO в молекулу аналита по атому активного водорода в таких функциональных группах, как –ОН, –SH, –NH, –CONH. Реакция образования алкил- и арилпроизводных проводится путём взаимодействия молекулы анализируемого вещества с алкилгалогенидами и арилгалогенидами по реакционно способному атому водорода [6].Указанные типы дериватизации проводятся с целью повышения летучести соединения, уменьшения его полярности и увеличения стабильности молекулы.Примером дериватизации с помощью реакции алкилирования может служить модификация молекулы п-хлорфенола алкилирующим агентом пентафторбензилбромидом, который широко применяется при анализе следовых количеств пестицидов:Полученное соединение обладает менее выраженной полярностью и характеризуется высокой чувствительностью в случае газохрматографического анализа с применением детектора электронного захвата (ДЭЗ).3. Газовая хроматография как аналитический метод Газовая хроматография – это метод хроматографического анализа, в котором подвижная фаза, проходящая через хроматографическую колонку, находится в газообразном состоянии. Подвижной фазой при этом является инертный газ-носитель – водород, гелий или азот. Данный метод применяется для разделения смесей летучих компонентов, которые имеют различные физико-химические свойства [7]. В случае газоадсорбционной хроматографии (ГАХ) неподвижная фаза представляет собой твёрдое вещество – частицы адсорбента, помещённые в металлическую или стеклянную хроматографическую колонку. В случае газожидкостной хроматографии (ГЖХ) неподвижная фаза – высокомолекулярная жидкость, нанесённая на стенки длинной тонкой капиллярной трубки из кварцевого стекла или на пористый носитель внутри неё. В том случае, если жидкая фаза нанесена на твёрдый носитель, проявляющий адсорбционные свойства, реализуется промежуточный вариант газовой хроматографии – газо-жидко-твёрдофазная хроматография [1]. Газовая хроматография представляет собой универсальный метод разделения смесей разнообразных веществ, испаряющихся без разложения. Принцип разделения компонентов анализируемой смеси основан на неодинаковом сродстве веществ к подвижной газовой фазе и стационарной фазе в хроматографической колонке. В процессе хроматографирования компоненты исследуемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа-носителя. По мере продвижения вдоль колонки, составляющие разделяемой смеси многократно распределяются между подвижной газообразной фазой и неподвижной фазой в соответствии с их коэффициентом распределения.В газоадсорбционной хроматографии процесс разделения компонентов определяется различной скоростью элементарных актов адсорбции и десорбции веществ на частицах твёрдого адсорбента, а в газо-жидкостной хроматографии – за счёт различной скорости элементарных актов растворения и испарения компонентов смеси в жидкой неподвижной фазе. [1, 7]В случае ГЖХ, при движении вдоль хроматографической колонки компонентов смеси быстрее будут перемещаться те вещества, растворимость которых в жидкой фазе при температуре разделения меньше, а упругость паров, обуславливающих летучесть, – больше. Анализ методом газовой хроматографии проводится с помощью специальных приборов – газовых хроматографов. Данный аналитический прибор состоит из устройства для ввода пробы, термостата, сменной хроматографической колонки, детектора и усилителя его сигнала. На рис. 4 представлен общий вид современного газового хроматографа, оснащённого устройством автоматического ввода пробы (автосамплером) и подключённого к персональному компьютеру.Рис 4. Внешний вид газового хроматографа «Хроматэк-Кристалл 5000.1».Исследуемая проба, как правило, представляет собой раствор анализируемого вещества в органическом растворителе и вводится в испаритель хроматографа с помощью микрошприца через самоуплотняющуюся мембрану. Для проведения парофазного анализа газовый хроматограф оснащается специальной приставкой для газовой экстракции аналита и ввода газообразной пробы.В аналитической практике широкое распространение получил метод газо-жидкостной хроматографии. Это связано с универсальностью метода, высокой степенью разделения компонентов сложных смесей, большим выбором жидких неподвижных фаз, что позволяет подобрать хроматографические колонки с характеристиками, оптимальные для конкретного анализа [18].В методе ГЖХ применяют специальные полые капиллярные колонки с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем жидкой неподвижной фазы, толщина которого составляет десятки микрометров. Капиллярные колонки изготавливаются из кварцевого стекла и имеют форму спирали. В качестве неподвижной фазы применяются жидкости с высокой температурой кипения, представляющие собой высокомолекулярные органические и кремнийорганические соединения: алифатические и ароматические углеводороды, полиэфиры, полигликоли, гидроксиламины, нитрилы, силоксаны с неполярными, среднеполярными и полярными радикалами. Неподвижная фаза должна хорошо растворять компоненты смеси, быть нелетучей, химически инертной, обладать низкой вязкостью. Неподвижная фаза подбирается таким образом, чтобы разделительная способность для компонентов конкретного образца была максимальной. В случае определения ХОС методом газовой хроматографии применяют специальные высокочувствительные системы детектирования: детектор электронного захвата (ДЭЗ) и масс-спектрометрический детектор (МСД). Это позволяет проводить качественный и количественный анализ различных ХОС и определять их содержание в пробах на уровне 0,1 мкг/л [10].Детектор электронного захвата применяется для определения веществ, обладающих повышенным сродством к электронам, к которым относятся органические вещества, содержащие в составе молекулы атомы галогенов, азота, кислорода. Принцип работы ДЭЗ основан на захвате свободных тепловых электронов молекулами определяемых соединений в ионизационной камере детектора с радиоактивным источником β-излучения. К камере детектора приложено электрическое напряжение, создающее определённый электрический ток. При попадании в ионизационную камеру вещества, активно поглощающего электроны, сила электрического тока меняется пропорционально концентрации определяемого вещества.Принцип действия масс-спектрометрического детектора основан на воздействии на молекулы анализируемых веществ пучка высокоэнергетических электронов, в результате чего наименее прочные связи в молекуле разрываются и образуются соответствующие ионы и радикалы. Вид и число образующихся в данных условиях частиц специфичны для определённого вещества. При воздействии магнитного поля полученные частицы ускоряются и двигаются по траекториям, пропорциональным их заряду и массе. Поток частиц собирается на коллекторе, который генерирует аналитический сигнал, позволяющий определить соотношения массы и заряда определённых частиц и их количество. В результате с помощью устройства регистрации и обработки сигнала получают масс-спектрограмму анализируемого образца [1, 19].4. Применение газохроматографического парофазного анализа для определения ХОСПрименение парофазного анализа (ПФА) в сочетании с газохроматографическим определением представляет собой один из наиболее эффективных методов исследования качественного и количественного состава жидких и твёрдых образцов. Метод ПФА разделяют на статический парофазный анализ (СПФА) и динамический парофазный анализ (ДПФА).Метод СПФА основан на отборе пробы газовой фазы из замкнутого пространства после установления межфазного равновесия в статических условиях.