CC BY
71
УДК 543.544.32
Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2012. Вып. 4
Т. Е. Морозова, А. Н. Мариничев, И. Г. Зенкевич
КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОМ СТАНДАРТНОЙ ДОБАВКИ В УСЛОВИЯХ НЕЛИНЕЙНОСТИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ. ВЭЖХ-МС ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОНОЭТАНОЛАМИНА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ
Введение. Определение гидрофильных органических соединений в разбавленных водных растворах представляет собой достаточно сложную задачу. К подобным соединениям относится моноэтаноламин (Б^МСБ^СБ^ОН, МЭА), используемый во многих технологических процессах, так как его водные растворы обладают щелочной реакцией (рКа = 9,5) и хорошо поглощают кислые газы, регенерируя их при повышении температуры. Благодаря этому растворы МЭА широко используют в качестве абсорбента в различных процессах газоочистки (например, для удаления примесей сероводорода, СО2 и тиолов в нефтегазовой и нефтехимической промышленности) и для разделения газов (в частности, для абсорбции СО2 в производстве водорода конверсией синтез-газа) [1, 2]. Одной из наиболее значимых сфер применения МЭА в мировой практике является производство этиленаминов, важнейших полупродуктов, используемых во многих отраслях промышленности.
Общей проблемой газохроматографического анализа соединений, имеющих несколько функциональных групп с активными атомами водорода (полиолов, аминоспиртов и др.), является сильное влияние сорбции аналитов в хроматографической системе, проявляющееся в асимметрии хроматографических пиков, относительно высоких пределах обнаружения и др. В связи с этим газохроматографический анализ МЭА требует его превращения в производные, которые могут образовываться с достаточно высокими выходами при значительном избытке воды и не содержат активных атомов водорода в молекуле [3]. Обращение к методу высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) позволяет упростить процедуру подготовки проб и даёт возможность прямого анализа водных растворов МЭА. Отсутствие хромофоров в молекуле МЭА объясняет необходимость масс-спектрометрического детектирования в сочетании с ВЭЖХ (ВЭЖХ-МС).
Для определения соединений в матрицах, обладающих сорбционными свойствами, часто применяют метод стандартной добавки, основанный на соотношении [4, 5]:
Мх = ,Пдо6'
-1
где Мх — определяемое количество аналита; тдоб. — масса добавки; Бх+доб. и Бх — площади пиков определяемого компонента после и до добавки соответственно.
Для увеличения точности анализа рекомендовано проводить несколько последовательных добавок (соотношение (1)) с последующей экстраполяцией результатов на «нулевую» величину добавки (соотношение (2)):
2 тДоб г
^х+доб.
= V-5
© Т. Е. Морозова, А. Н. Мариничев, И. Г. Зенкевич, 2012
Бх
мх, = а^ Шдоб.. + Ь, (2)
г
где Мх — определяемое количество аналита; шдоб., — суммарное количество стандартной добавки на г-й стадии; Вх+доб.. и Бх — площади пиков определяемого компонента после и до г-й добавки соответственно; а и Ь — коэффициенты уравнения линейной регрессии.
Если необходимо определять не абсолютные количества, а концентрации аналитов, то в формуле (1) должен быть учтён объём образца (V):
C
= Щ
~~ V
Настоящая работа посвящена особенностям применения метода последовательных стандартных добавок для количественного определения МЭА в водных растворах в условиях нелинейности детектирования (метод ионизации — электроспрей).
Экспериментальная часть.
Приготовление модельных водных растворов МЭА с концентрациями 2,
3 и 4 мкг/мл (серия 1). Для проверки применимости метода последовательных стандартных добавок были приготовлены водные растворы МЭА с концентрациями 200 мкг/мл и 2 мкг/мл. В раствор с концентрацией 2 мкг/мл последовательно добавляли по 5 мкл раствора МЭА с концентрацией 200 мкг/мл для получения растворов с концентрациями 3 и 4 мкг/мл.
Приготовление модельных водных растворов смеси МЭА и пиридина с концентрациями 1,5, 1, 0,5, 0,125 мкг/мл (серия 2). Для приготовления водного раствора смеси МЭА и пиридина с концентрациями 1 мкг/мл вносили по 10 мкл каждого вещества в 1 мл воды. Полученный раствор дважды разбавляли в 100 раз для получения раствора с концентрациями каждого компонента 1 мкг/мл. Для получения растворов с концентрациями 0,5, 0,25, 0,125 мкг/мл полученный раствор разбавляли в 2, 4 и 8 раз, соответственно.
Условия хроматографического анализа. Анализ проб проводили на жидкостном хромато-масс-спектрометре Shimadzu LC-20AB с масс-селективным детектором Shimadzu LCMS-2010EV (ESI). Колонка Supelcosil LC-NH2 150 х 3 мм2, размер частиц сорбента 3 мкм, элюент: компонент А — 0,1 % раствор муравьиной кислоты в воде, компонент Б — ацетонитрил; изократический режим элюирования: 97 % Б, объёмная скорость подвижной фазы через колонку 0,3 см3/мин, температура термостата колонки 40 °С, время удерживания 5,3 мин; объём проб (петли) — 5 мкл.
Условия масс-селективного детектирования (электроспрей, ESI) в режиме положительной ионизации. Давление газа-осушителя 0,1 МПа, скорость газа-распылителя 1,5 л/мин, температура нагревателя 200 °С, температура CDL 250 °С, напряжение на электроспрее 4000 В, напряжение на электронном умножителе 1500 В, детектирование по отдельным ионам (SIM) в режиме положительной ионизации (m/z 62).
Регистрацию параметров хроматографических пиков проводили с помощью программного обеспечения LC-MSsolution (версия 3). Число параллельных определений площадей пиков целевого компонента составляло не менее пяти. Для статистической обработки экспериментальных данных использовали программное обеспечение Microsoft Excel 2003. На рис. 1 и 2 представлены масс-спектр и масс-хроматограмма МЭА в водном растворе. Сигнал в масс-спектре с m/z 105 является фоновым, m/z 103 соответствует ионам [МЭА + CH3CN + H] + .
50,0 55,0 60,0 65,0 70,0 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 105,0 110,0 115,0 120,0 m/z Рис. 1. Масс-спектр моноэтаноламина в водном растворе Интенсивность, усл. ед.
1,5
1,0
0,5
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Время, мин
Рис. 2. Масс-хроматограмма водного раствора моноэтаноламина
Результаты и их обсуждение. При использовании электроспрея в качестве метода ионизации для количественного анализа часто возникают проблемы невысокой воспроизводимости результатов определений и недостаточной линейности детектирования (особенно "day-to-day") [6-9]. Для рассмотрения возможностей количественного определения МЭА методом ВЭЖХ-МС проведён анализ его водных растворов различных концентраций. На рис. 3 приведён график зависимости площади пика образцов МЭА от его концентрации в водных растворах в диапазоне от 0,125 до 1,5 мкг/мл для одной серии определений.
Полученный график можно условно разделить на два участка: С(МЭА) < 1 мкг/мл (I) и С(МЭА) > 1 мкг/мл (II). Первый участок соответствует условию dS/dC > 0, тогда как второй — dS/dC < 0. Такая зависимость площади пика от концентрации аналита (наличие максимума на графике) свидетельствует о нелинейности детектирования. В других сериях измерений общий вид зависимости отличается от приведённого на рис. 3. В условиях подобной нелинейности детектирования метод последовательных стандартных добавок оказывается практически единственным методом количественного анализа, причём особенности его применения могут отличаться в различных диа-
1 в: ,05 10 3,10
10 5,05
51,00 59, 5600л 05 1 Л 67,00 1111 73, 90 7 83,0 ¡^8 93, 0,90 90 90 99 1111 ,90 11 4- 1 IM 113, -ГХ-ГГ 10 1 1111 21,00
Концентрация МЭА в растворе
Рис. 3. График зависимости площади пика МЭА от его концентрации в водных растворах в диапазоне от 0,125 до 1,5 мкг/мл
пазонах концентрации МЭА. Однако во всех случаях экстраполяция результатов на нулевую величину добавки [10] позволяет с приемлемой точностью оценить содержание МЭА в растворе. В таблице приведены результаты количественного определения МЭА в водных растворах методом последовательных стандартных добавок. Пиридин использовали для независимого контроля точности определений.
Результаты количественного определения МЭА в водных растворах методом последовательных стандартных добавок (см. рис. 3)
Параметр определений МЭА (серия 1) участок (I) Пиридин (серия 1) участок (I) МЭА (серия 2) участок (II)
Заданное количество, мкг/мл 0,125 0,125 2,0
Щдоб., , МКГ 0,375 0,125 1,0
Шдоб., , МКГ* 0,875 0,375 2,0
»«.доб., , МКГ - 0,875 -
Ях ± стан д. откл. (1,6 ± 0,4) • 106 (2,3 ±0,2) • 106 (5,6 ±0,1) • 106
5^+доб., ± станд. откл. (4,2 ± 0,6) • 106 (4,2 ±0,2) • 106 (8,7 ±0,8) • 106
Зг+доб., ± станд. откл. (5,2 ± 0,7) • 106 (7,0 ±0,6) • 106 (11,8 ± 0,2) • 106
Зг+доб., ± станд. откл. - (9,7 ±0,2) • 106 -
Схл , мкг/мл** 0,23 0,15 1,88
СХо, мкг/мл** 0,35 0,18 1,84
СХо , мкг/мл** - 0,27 -
а 0,24 0,17 ±0,02 -0,03
Ъ 0,14 0,13 ±0,01 1,91
Сх,о ± станд. откл. 0,14 ±0,12 0,13 ±0,01 1,92 ±0,13
г - 0,998 -
* Для второй добавки указано суммарное с первой количество аналитов, для третьей — суммарное с двумя предыдущими.
** Значения приведены без погрешностей, поскольку данные результаты можно рассматривать как промежуточные.
При сравнении данных, приведённых в таблице, видно, что зависимости определяемого количества МЭА в образце от массы добавки, характеризуемые уравнением линейной регрессии Мх = атдоб. + Ь (2), для разных концентраций аналита отличаются знаком коэффициента а.
Расчёт значений Мх о проводили по уравнению линейной регрессии (2), которое при экстраполяции результатов на нулевую величину добавки принимает вид Мх. = Ь. В таблице приведены значения Мх,о, вычисленные по двум (МЭА) и трём (пиридин) добавкам. Большее число добавок в данном случае использовать нерационально, потому что аппроксимация нелинейной зависимости Мх от тдоб., обусловленной нелинейностью зависимости Б(С), линейным соотношением (2) может приводить к значительным ошибкам. Для уменьшения таких ошибок рекомендуемое число последовательных стандартных добавок в случае нелинейности детектирования не должно превышать двух.
Расчёт концентрации МЭА экстраполированной на нулевую величину добавки (вариант двукратной добавки). Для расчёта концентрации МЭА, экстраполированной на нулевую величину добавки (Сх о), и погрешности его определения использовали уравнение линейной регрессии для абсолютных количеств определяемого аналита Мх. = атдоб. + Ь (2). Из этого уравнения для двух добавок получаем систему уравнений
Мх1 = ат доб. 1 + Ь;
Мх2 = ат доб. 2 + Ь.
Эту систему решаем относительно коэффициента Ь:
тдоб.1 тдоб
тДоб.2 тДоб.1 \Бх + Доб.1 Бх Бх+доб. 2 Б
= -Д-!--^ -_ -) . (3)
Для оценки погрешности Mx,o, полученной по уравнению (3), использовали программное обеспечение Maple 13. Так как вклад первого сомножителя в суммарную составляющую погрешности для Mx,o по сравнению со вторым невелик, опустим его при расчёте погрешности.
Рассмотрим основные этапы получения результатов в среде Maple. Строки со значком «>» — команды, без этого значка — комментарии (игнорируются при вычисленях). Выражение для Mx,o обозначаем через W, а Sx, Бх+доб. , Sx+Ao6. через P[0], P[1], P[2] соответственно.
1. Подготовка к работе, вызов необходимой библиотеки ScientificErrorAnalysis
> restart:
> with (ScientificErrorAnalysis):
2. Ввод экспериментальных данных.
> W:=P[0]/(P[1]-P[0]) -P [0] /(P[2]-P[0] );
После дифференцирования данного выражения получаем
> Diff('W',P[0])=diff(W,P[0]);[Diff('W',P[1])=diff(W,P[1]), Diff('W',P[2])=diff(W,P[2])];
d f Pa _ Pa \ = 1 Po___1___Po_
dP„ \Pi-Po Po-Po) Pi-Pa (Pi ~ Po)2 Po ~ Po (Po ~ Pa)2
Po Po \ Po d ( Po Po \ Po
— - ---- - —
_дРг\ Рг - Ро Р2 - Ро) (Р1 - Ро)2' дР2\ Р - Ро Р2 - Ро ) (Р2 - Ро)2
Таким образом, выражение для погрешности V выглядит следующим образом: >Р[0]:=ЦиапЪгЪу(р[0]^[0]) :Р [1]:=ЦиапЪгЪу(р[1]^[1]): P[2]:=Quantity(p[2],s[2]): > combine(W,errors);
Quantity ( ——---——,
\pi - Po P2 - Po
Pl-Po (Pl-PO)2 P2-P0 (P2-P0)2
1
+
1
Po
Для обработки результатов серии 1 подставляем в формулу (4) значения площадей пиков МЭА (см. таблицу) (для упрощения опускаем степенной сомножитель 106). Результат, записанный в общем виде как Quantity(x, у), где х — полученная величина, а у — её погрешность, позволяет рассчитать относительную погрешность результатов (у/х), которая равна относительной погрешности Мх,о:
>P[0]:=Quantity(1.59,.39):Г[1]:=Quantity(4.18,.59): P[2]:=Quantity(5.52,.67):combine(W,errors,rule=round[2]);
Относительная погрешность экстраполированного значения Мх,о для серии 1 составляет 90 %.
Аналогично для серии 2:
.073) ^[^^^^^(8.70, .077): P[2]:=Quantity(11.80,.019):combine(W,errors,rule=round[2]);
Тогда относительная погрешность Mx,o для серии 2 составляет 6 %.
Расчёт Mx,o и её относительной погрешности для пиридина (три добавки) проводили, используя параметры, вычисленные с помощью программного обеспечения Origin (версия 8.2). Таким образом, при применении метода последовательных стандартных добавок значения относительной погрешности различаются более чем в 10 раз. Причина, на наш взгляд, кроется в сильном разбросе площадей пиков МЭА, в области его низких концентраций (серия 1).
Необходимость экстраполяции результатов на нулевую величину добавки при использовании метода последовательных стандартных добавок может быть различной природы: изменение свойств матрицы, искажение формы хроматографических пиков, вариации условий измерения их площадей и др., однако при анализе водных растворов МЭА нелинейность детектирования является преобладающей.
Вариации знаков коэффициента a в зависимости определяемой концентрации анали-та от массы добавки при использовании метода последовательных стандартных добавок объясняли ранее только применительно к сложным матрицам, обладающим сорбцион-ными свойствами [11].
Метод последовательных стандартных добавок был применён для определения МЭА в условиях ярко выраженной нелинейности детектирования. Так же, как для соединений, матрицы которых обладают сорбционными свойствами, необходима экстраполяция результатов количественных определений на нулевую величину добавки. Несмотря на разные знаки коэффициента a в уравнении линейной регрессии для разных диапазонов концентраций МЭА, экстраполяция результатов анализа на «нулевую» добавку обеспечивает приемлемую точность полученных результатов.
Quantity(0.21,0.19)
Quantity(0.903,0.063)
Литература
1. Ethanolamine // Wikipedia. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanolamine (дата обращения: март 2012).
2. Monoethanolamine. URL: http://www.huntsman.com/performance_products/index.cfm?pa-geid=5339 (дата обращения: март 2012).
3. Зенкевич И. Г., Чупалов А. А. Газохроматографическое определение моноэтаноламина в воздухе производственных помещений // Журн. аналит. химии. 1996. Т. 51, № 6. С. 642-646.
4. НовакЙ. Количественный анализ методом газовой хроматографии / пер. с англ. М.: Мир, 1978. 180 с.
5. Зенкевич И. Г., Рагозина Т. Н. Количественный газохроматографический анализ компонентов гетерофазных систем методом двойной стандартной добавки // Журн. прикл. химии. 1998. Т. 71, № 5. С. 763-767.
6. Weinmann W., Wiedemann A., Eppinger B. et al. Screening for drugs in serum by electrospray ionization/collision-induced dissociation and library searching //J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1999. Vol. 10, N 10. Р. 1028-1037.
7. EvermanS., YiZ., Langlais P. et al. Reproducibility of an HPLC-ESI-MS/MS method for the measurement of stable-isotope enrichment of in vivo-labeled muscle ATP synthase beta subunit // UK Pubmed Central. URL: http://ukpmc.ac.uk (дата обращения: апрель 2012).
8. LienG. W., ChenC. Y., Wang G. S. Comparison of electrospray ionization, atmospheric pressure chemical ionization and atmospheric pressure photoionization for determining estrogenic chemicals in water by liquid chromatography tandem mass spectrometry with chemical derivatization //J. Chromatogr. (A). 2009. Vol. 1216. P. 956-966.
9. Зенкевич И. Г., Морозова Т. Е. Особенности ВЭЖХ-МС определения моноэтаноламина в водных растворах методом стандартной добавки // Аналитика и контроль. 2012. Т. 16, № 2. С. 181-187.
10. Морозова Т. Е., Зенкевич И. Г. Новые варианты метода стандартной добавки. Газохроматографическое определение камфоры в фармацевтических препаратах // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2011. Вып. 4. С. 62-68.
11. Зенкевич И. Г., Морозова Т. Е. Особенности метода стандартной добавки для количественного определения аналитов в сложных матрицах, обладающих сорбционными свойствами // Аналитика и контроль. 2010. Т. 14, № 3. С. 164-171.
Статья поступила в редакцию 22 мая 2012 г.
