CC BY
11
Методы исследования
© А. Г МАЛЫШЕВА. 1963 УДК 614.7:661.185.2|-074:543.544
А. Г. Малышева
ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
В ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН. Москва
На современном этапе большинство эколого-гигиенических исследований не могут быть выполнены без предварительного решения соответствующих физико-химических проблем. Аналитический контроль токсичных веществ в объектах внешней среды является одним из путей улучшения экологической обстановки и здоровья населения. Анализу микроколичеств органических соединений в объектах окружающей среды посвящено значительное число работ [1 — 3, 5). Однако подавляющее большинство данных получено с помощью недостаточно чувствительных, селективных и аналитически информативных методов химического анализа органических соединений в составе многокомпонентных смесей, каковыми являются объекты окружающей среды. Необходима разработка эффективных аналитических методов, обладающих достаточно высокой чувствительностью, специфичностью и информативностью. Применение системы газовой хроматограф — масс-спектрометр позволяет с высокой чувствительностью разделять многокомпонентные смеси и надежно идентифицировать компоненты, входящие в состав объектов окружающей среды.
Исследования проведены на хромато-масс-спектрометре ЛКБ—2091, соединенном с системой обработки данных — компьютером, дисплеем и графопостроителем. При анализе органических веществ в газовых средах вещества предварительно концентрировали при температуре окружающей среды в стеклянной поглотительной трубке длиной 200 мм с внутренним диаметром 3 мм, заполненной пористым полимерным сорбентом. В качестве сорбента использовали поли-2,6-дифенил-п-фениленоксид (тенакс йС) с размером частиц 60— 80 меш:
Этот термостойкий полимер (устойчив до 400 СС) гид-рофобен, имеет мол. массу 0,5—1,0-Ю6 и удельную поверхность около 19 м2/г. При нагревании в присутствии кислорода пористые полимеры претерпевают деградацию. Для очистки адсорбента осуществляли предварительное кондиционирование еорбционных трубок пропусканием гелия при 250 °С в течение 8 ч. По окончании кондиционирования трубки охлаждали до температуры окружающей среды и закрывали заглушками из фторопласта.
Извлечение органических веществ из жидких сред (питьевой воды, природных, промышленных и сточных вод, водных растворов, биологических жидкостей и др.) осуществляли динамической газовой экстракцией летучих соединений с последующей адсорбцией их также на полимерном пористом сорбенте. Пробу жидкости в количестве 10—20 мл помещали в прибор с подсоединенной к его выходному концу адсорбционной трубкой с тенаксом. Прибор погружали в водяную баню (температура до 60— 80 °С). Расход потока гелия устанавливали на уровне 20 мл/мин с помощью игольчатого вентиля тонкой регулировки. измеряя его ротаметром на выходе из адсорбционной трубки. Общий объем анализируемого газа, пропускаемого через анализируемую пробу жидкости, достигал 3—5 л.
Содержание летучих веществ в твердых пробах опреде-
ляли путем анализа равновесной газовой фазы непосредственно над образцом, находящимся при температуре окружающей среды (например, почвы) или в расплавленном состоянии (например, полимерных материалов — нагреванием до 200—300 °С), а также анализа гомогенизированных растворов, суспензий или эмульсий биологических сред. При анализе почвы или миграции токсичных веществ из полимерных материалов в окружающую среду, когда газовыделение достаточно интенсивно, проводили прямой хромато-масс-спектрометрический анализ проб газовой фазы из закрытых сосудов с пробами. В других случаях газовую экстракцию почв или гранулированных либо порошкообразных образцов полимера проводили при 250 "С в течение 1—2 ч в термореакторе, установленном в термостате хроматографа хромато-масс-спектрометра. Выделившиеся органические вещества концентрировали при температуре окружающей среды в адсорбционные трубки с тенаксом. Для этого трубку с тенаксом подсоединяли к выходу термореактора и при комнатной температуре термостата продували гелием в течение 3 мин газовую смесь, выделившуюся из нагретого образца. Скорость прохождения газа-носителя через трубку с сорбентом составляла 30 мл/мин. Аналогичным образом определяли выделение токсичных веществ из пластиковых упаковочных материалов. Кусочки пленки помещали в термореактор и выдерживали 15 мин в термостате при 100 °С. Степень перехода летучих веществ в газовую фазу определяли путем повторных экстракций свежими порциями гелия в течение равных промежутков времени и оценивали количественное содержание органических веществ в полимерном материале.
Адсорбционные трубки с отобранными пробами подсоединяли к хромато-масс-спектрометру и при температуре окружающей среды в направлении пробоотбора пропускали через них гелий (около 1 л) для вытеснения оставшегося в трубках кислорода при анализе газовых сред или паров воды при анализе водных сред. Затем, изменив направление элюирования микропримесей на обратное, переводили анализируемые соединения, поглощенные тенаксом, с помощью термической десорбции при 280—300 °С в стеклянный капилляр-конденсор, охлаждаемый жидким азотом. Стеклянный капилляр обладает рядом преимуществ перед металлическим: поверхность его значительно более инертна к анализируемым веществам и практически не является катализатором при взаимодействии реакционноспособных соединений. Промежуточное концентрирование элюируемых потоком газа соединений в охлаждаемый конденсор позволяет избежать ухудшения разделения компонентов и размывания хромато-графических пиков. Далее конденсор с замороженными соединениями нагревали в течение 10—20 с до 180—250 0С и десорбировавшиеся вещества разделяли на стеклянной капиллярной колонке длиной 50 м с внутренним диаметром 0,32 мм, заполненной жидкой фазой БЕ-ЗО. Исследуемые компоненты разделяли в течение первых 5 мин в изотермическом режиме при комнатной температуре, а затем в условиях программированного повышения температуры со скоростью 6 град/мин до 180 °С и выдерживали при этой температуре еще 10 мин. После окончания хроматографи-ческого анализа, продолжительность которого составляла 30—35 мин, термостат хроматографической колонки охлаждали до комнатной температуры.
Ионизацию разделенных компонентов проводили электронным ударом при энергии электронов 70 эВ. Запись масс-спектров осуществляли автоматически с помощью компьютера в режиме непрерывного сканирования магнитного поля масс-спектрометра при следующих условиях: ионизирующее напряжение 70 В, ток эмиссии с катода 50 мкА, ускоряющее напряжение 3500 В, температура ионного источ-
Рис. I. Фрагмент хроматограммы смеси органических веществ, образующихся при электронном облучении электрических проводов,
характеризующий выявленные азоторганические соединения.
Здесь и на рис. 2 по оси абсцисс — номер масс-спектра, по оси ординат — интенсивность, отн. ед. 1 — дникснд углерода; 2 бутан; 3 — изопентан; 4 ацетон; 5 метилннтрат; 6 ннтрометан; 7 — 2-метилпентан; в — пропионитрнл; 9 — 3-метнлпентан; 10 — бутаналь; // — 2-бутанон; 12 гексан; 13 — хлороформ; 14 этилацетат; 15 — изобутиронитрил; 16 — метилциклопентан; 17 бензол; 18 - 2-метилгексан; 19 — 3-метн.|гексан; 20 — бутанол; 21 — Ы-диоксам; 22 - гептан; 23 — пропилннтрат; 24 — иитропропан; 25 — метилизобутилкетон; 26 — толуол; 27 — изобутилацетат; 28 - 2-метилгептан; 29 3-метилгептан; 30 — гексаналь; 31 — тетрахлорэтнлен; 32 — октан; 33 -- бутнлиитрат; 34 — бутилацетат.
ника и сепаратора соответственно 270 и 200 °С. Емкость используемых магнитных дисков составляла 2,4 МгБ, что достаточно для формирования по окончании хроматографиче-ского разделения из массива полученных масс-спектров необходимого количества реконструированных хроматограмм (по полному ионному току, по отдельным ионам и др.). Для идентификации веществ использовали каталоги масс-спектров |4, 6].
Разработанная методика хромато-масс-спектрометрическо-го анализа органических веществ в объектах окружающей среды позволяет определять в анализируемых пробах присутствие нескольких десятков или сотен различных специфических веществ. При окислительном пиролизе тенакса идентифицировано значительное количество изомерных углеводородов Св — Си. В наибольших количествах выделяются изононаны и изодеканы, в частности н-нонан, 2-метилок-тан, 3-метилоктан, 4-метилоктан, 4-этилгептан, диметилгепта-ны, н-декан, диметилоктаны, 2-метилнонан, 3-метилнонан. Идентифицированы также н-ундекан, изоундеканы, н-додекан, изододеканы и ароматические углеводороды (этилбензолы, этилксилолы и др.). Предварительное кондиционирование тенакса и продувка трубок гелием перед десорбцией веществ позволяют устранять фоновые пики окислительного пиролиза тенакса. Допустимый срок хранения пробоотбор-ных трубок с отобранными пробами достигает 3—4 мес.
Наиболее полное (до 90—98 %) извлечение органических веществ гелием из жидкой фазы достигалось с помощью прибора, представляющего и-образную трубку с впаянным в виде пластины фильтром из спекшейся массы стекла. Установлено, что органические вещества, содержащиеся в жидкой или гомогенизированной среде, удобно определять по их количеству при десорбции из анализируемой пробы по формуле:
с=т]/ [(т,—т2) К],
где с — концентрация' обнаруженных веществ в жидкой фазе, мг/л; V — объем пробы, взятой для анализа, мл; т\ и тг — измеренные извлеченные количества вещества соответственно при 2 последовательных анализах в течение равных промежутков времени (порядка 10—30 мин), мкг.
Нижняя граница определения содержания органических веществ при анализе газовых сред составляет I мкг/м3, жидких сред — I мкг/л, твердых материалов — I мкг/кг. Суммарная погрешность определения газовых сред при доверительной вероятности 0,95 составляет 5—10%, жидких сред — 7—15 %, твердых материалов — 12—20 %.
На отдельных примерах продемонстрируем применение разработанного хромато-масс-спектрометрического метода анализа органических веществ при решении задач охраны окружающей среды.
Электронное облучение полимерных материалов, полупроводников, электрических проводов, получение радиационно сшитой изоляции кабелей сопровождаются выделением сложного комплекса веществ. При электронном облучении проводов марки СПОВ сечение I мм с радиационно-моди-фицированной полиэтиленовой изоляцией (ГОСТ 102—57) и использовании в качестве источника ионизирующего излучения электронного ускорителя ЭлВ-1 с энергией электронов до 0,7 МэВ обнаружено присутствие более 150 органических веществ, причем 70 из них являются карбонильными, 30 — азотсодержащими, 20 — хлорсодержащими соединениями. Среди углеводородов преобладают предельные идентифицировано более 60 веществ (бутан, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан, ундекан, додекан, тридекан и их изомеры), ароматические — более 50 веществ (бензол, толуол, стирол, ксилол и их производные); к циклическим углеводородам относится более 30 соединений (циклогексан, метилциклогексан, метилизопропилциклогексан, диметилцик-логексан, этилциклогексан, пропилциклогексан и др.). Из непредельных углеводородов идентифицированы бутилен, геп-тен-1, 2-этилгексен-1 и др. Кислородсодержащие соединения представлены альдегидами — бензальдегидом, бутаналем, пен-таналем, гексаналем, гептаналем, октаналем, нонаналем, деканалем, 2-метилпропаналем; эфирами — этилацетатом, бу-тилацетатом, 1,4-диоксаном, диэтиловым эфиром, а-метакро-леином, этилбензоатом и др.; кетонами — ацетоном, ацето-феноном, 2-бутаноном, 2-пентаноном, 4 метил-2-пентаноном, циклогексаноном, метилизобутилкетоном и др.; спиртами — бутанолом, изобутанолом, этанолом и др. В наибольших концентрациях в составе соединений, образующихся при электронной обработке электрических проводов, обнаружены предельные углеводороды, бензол, ацетон, толуол, ксилол, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон,
2-бутанон, амилнктрат, пропилннтрат, бутилнитрат, бутил-нитрит, изобутиронитрил, нитропропан и др. Среди идентифицированных веществ в значительных количествах выявлены азотсодержащие соединения — нитробензол, нитрометан, бензонитрил, вторичный амилнитрат, изопропилнитрат, бутил-нитрат, метилннтрат, изопропилнитрат и др. (рис. 1).
При экструзии поливинилхлорида образуются бутан, изопентан, пентан, сероуглерод, циклопентан, 2-метилпентан,
3-метилпентан, гексен-1, гексан, этилацетат, метилциклопентан, 1,2-дихлорэтан, изобутанол, бензол, четыреххлори-
Рис. 2. Начальный фрагмент хроматограммы водопроводной воды с галогенорганическими соединениями.
I днокснд углерода; 2 диэтиловый эфир; 3 хлороформ; 4— четырех-хлористый углерод; 5 — бромднхлорметан; в толуол; 7 днбромхлорметан; 8 — йоддихлорметан; 9 тетрахлорэтнлен; 10 — октан; II — этилбензол; 12 — бромоформ; 13—и-, п ксилолы; 14 о-ксилол; 15 — нонан.
стый углерод, циклогексан, 2- и 3-метилгексаны, пентаналь, бутанол, гептан, метилциклогексан, этнлциклопентан, 2,5-ди-метилгексан, 2,4-диметилгексан, 1,2,4-триметилциклопентан, толуол, 2,3-диметилпексан, 2-метилгептан, гексаналь, 2-этил-гексан-1, тетрахлорэтилен, 1,4-диметилциклогексан, октан, бутилацетат, октен-2, хлорбензол, этилциклогексан, этилбен-зол, изобутирилхлорид, о-, м-, п-ксилолы, циклогексанон, стирол, гептаналь, изопропилбензол, бензальдегид, пропил-бензол, 2-пентилфуран, октаналь, 2-октанол, 1,2,3,5-тетраме-тилбензол и др. Всего идентифицировано 88 органических соединений, из которых 67 приходятся на углеводороды, 14 — на кислородсодержащие и 6 — на хлорсодержащие соединения. Среди углеводородов преобладают предельные и ароматические соединения. Кислородсодержащие соединения представлены фурановыми углеводородами, альдегидами, кетонами, спиртами, сложными эфирами. В наибольших количествах образуются оксид углерода, четыреххло-ристын углерод, бензол, толуол, хлористый водород, винил-хлорид, декан, ундекан, бутилацетат, ксилол, пентан, изо-пентан и другие углеводороды.
В полимерных материалах идентифицированы азот-, серо-, хлорсодержащие и некоторые индивидуальные соединения: метан, этан, пропан, хлористый метил, сероводород, бутилен, хлористый этил, этанол, ацетонитрил, ацетон, метиленхлорид, серооксид углерода, акрилонитрил, пентан,
пропионитрил, хлороформ, бензол, диэтиламин, четыреххло-ристый углерод, диоксид серы, гептан, трнэтиламин, толуол, ксилол, хлорбензол, фенол, крезол, дихлорбензол, 2-метил-пропаналь, а-метакролеин, гексен-1, тиофен, 2,3-ди метил бутадиен-1,3, 3-метилбутаналь, бутанол, пентаналь, трихлорэти-лен, 3-пентанол, этилфуран, диметилдисульфид, бутилцианат, 1,2,4-триметилциклопентан, диметилциклогексан, тетрахлорэтилен, этилбензол, стирол, нонен-1, нонан, 1,4-дихлорбензол, винилбензальдегид, амилбензол, 2,6-дитретбутилбензол, ди-фенилкарбонат и др. Основными легколетучими продуктами полимерных материалов являются остаточные растворители (ацетон, метиленхлорид) и фенол.
При хромато-масс-спектрометрических исследованиях сточных вод идентифицированы сотни различных специфических соединений. Среди них нитро-, амино- и азосоединения, фенолы, крезолы. бензол и его производные, производные нафталина, предельные и непредельные углеводороды, хлорсодержащие соединения, альдегиды, эфиры и др. В значительных концентрациях обнаружены сероводород, сернистый газ, бутилен, ацетон, диметилформаль, бутаналь, метилкар-бонат, хлороформ, 1,2-дихлорэтан, бензол, четыреххлорнстый углерод, бутанол, трихлорэтилен, изопропилацетат, толуол, гептан, гексаналь, тетрахлорэтилен, фенол, нитробензол, хлорбензол, этилбензол, ксилолы, стирол, изопропилбензол, днхлорбензолы, диэтилбензолы, метилэтилбензолы, трихлор-бензолы, диметилнафталины, тетрадецен.
В качестве примера на рис. 2 приведен начальный фрагмент хроматограммы обычной водопроводной воды. Основные пики принадлежат диоксиду углерода, хлороформу, бромдихлорметану, дибромхлорметану, четыреххлористому углероду, бромоформу, тетрахлорэтилену.
Разработанный метод с успехом применен также при анализе атмосферного воздуха, воздушной среды жилых и общественных зданий, промышленных выбросов, биологических сред, почвы, растительных объектов, пищевых продуктов и др.
Л итература
1. Байерман К. Определение следовых количеств органических веществ.— М.. 1987.
2. Заикин В. Г. // Жури. Всесоюз. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева,— 1983,- Т. 28. № 1,— С. 67.
3. Исидоров В. А., Зенкевич И. Г. Хроматомассспектро-метрическое определение следов органических веществ в атмосфере.— Л., 1982.
4. Cornu A., Massot R. Compilation of Mass Spectral Data.— New York, 1975.
5. Dmitriev M. T., Rastyannikov E. G., Malysheva A. G., Volkov S. A. H Int. Lab.- 1986.-Vol. 16. N 5.-P. 40.
6. Stenhagen £., Abrahamsson S., MasLafjerty F. W. // Atlas of Mass Spectral Data.—New York, 1974.
Поступила 06.10.92
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 1993 УДК 614.777:611.281.8|-074:543.М4
М. Т. Тахиров, В. В. Тарасов, Е. Е. Бекжанова, В. Г. Лихо ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИЛОЗИНА В ВОДЕ ВОДОЕМОВ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
НИИ санитарии, гигиены и профзаболеваний Минздрава Республики Узбекистан, Ташкент
Тилозин — антибиотик широкого спектра действия, угнетает рост грамположительных и некоторых грамотрицательных микроорганизмов, используется в животноводстве |1|. ПДК тилозина в воде водоемов утверждено на уровне 0,08 мг/л.
В условиях производства и использования тилозина возникает необходимость санитарного контроля объектов окружающей среды на присутствие тилозина.
Целью данной работы явилась разработка высокочувствительной и сравнительно простой методики количественного определения тилозина в воде водоемов и в сточных водах заводов, производящих тилозин.
В основе предлагаемой методики лежат экстракция тилозина из воды хлороформом, хроматографическое разделение анализируемого соединения и растворителя в системе бензол — хлороформ — этиловый спирт, последующее извлечение тилозина со слоя сорбента этанолом и анализ этанольного экстракта в ультрафиолетовой области спектра.
Пробу воды (1 дм3) помещают в колбу с притертой пробкой, приливают 20 см3 хлороформа и встряхивают в течение 40—60 мин. Хлороформный слой отделяют в плоскодонную колбу. Операцию повторяют еще раз, собирая экстракт в ту же колбу. Отделенный экстракт сушат сульфатом натрия (5—10 г), пробу концентрируют с помощью вакуумного ротационного испарителя при 40 °С почти досуха. Сухой остаток растворяют ацетоном (I см ) и количественно всю пробу или ее аликвоту наносят на хроматографическую пластинку ЗПиМ-иУ 254. Слева и справа от пробы наносят серию градуировочных растворов с содержанием тилозина 2, 4 и 8 мкг/см3.
Затем силуфоловую пластинку помешают в хроматографическую камеру, в которую за 30 мин до хроматографи-рования наливают смесь растворителей в соотношении 7:3:2 (подвижная фаза).
Процесс хроматографического разделения длится 20 мин.
