ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ ОТРАВЛЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ВНУТРЕННЕГО СТАНДАРТА ДИАЛКИЛОВЫХ ЭФИРОВ МЕТИЛФОСФОНОВОЙ КИСЛОТЫ Российский патент 2010 года по МПК G01N30/00 

Изобретение относится к исследованию или анализу небиологических материалов химическими способами, конкретно к количественному определению фосфорорганических отравляющих веществ (зарин, зоман, Ви-икс).

Как известно [1-3], в инструментальной хроматографии используют три основных метода количественной обработки хроматограмм: метод нормировки, метод внешнего стандарта и метод внутреннего стандарта.

Метод нормировки, как правило, используют тогда, когда необходимо в первую очередь сравнить ряд образцов, а правильность численных результатов не играет первостепенной роли.

В методе абсолютной калибровки используется уравнение (1)

Для его реализации необходим эталон определяемого вещества, в связи с чем приготавливают растворы эталона различных концентраций, выбранных таким образом, чтобы они охватывали ожидаемый диапазон концентраций определяемого соединения [1]. Однако проблема заключена в том, что заводские лаборатории объектов по уничтожению химического оружия не имеют лицензионных разрешений на изготовление эталонных образцов, по качеству и чистоте соответствующих стандартным образцам уничтожаемых отравляющих веществ. Перевозка эталонных (стандартных) образцов самих отравляющих веществ (зарин, зоман, Ви-икс) по территории Российской Федерации имеет ряд серьезных ограничений и запретов. Тем не менее, задачи как: поверка и градуировка средств измерения, разработка и метрологическая аттестация методик выполнения измерений содержания отравляющего вещества, а также задачи, связанные с обеспечением экологической безопасности деятельности объектов по хранению и уничтожению химического оружия остаются для таких объектов приоритетными.

Метод внутреннего стандарта [1] позволяет исключить погрешность ввода пробы и некоторые другие ошибки, связанные с подготовкой образца, и самое главное позволяет использовать стандартные образцы, не являющиеся физиологически активными токсичными химикатами и не имеющие ограничений на перевозку по территории РФ. При работе по этому методу необходимо выбрать постороннее соединение, которое будет использовано в качестве внутреннего стандарта, но отсутствующее в анализируемой смеси и хорошо отделяющееся от всех пиков. Из этого соединения и определяемого вещества готовят серию искусственных калибровочных смесей. Концентрация определяемого вещества в таких смесях должна примерно соответствовать концентрации его в анализируемых смесях. В избранном для анализа режиме хроматографируют калибровочные смеси и измеряют площади пиков S_x (определяемый компонент) и S_ст (внутренний стандарт), по формуле 2:

где m_x и m_ст - навески определяемого вещества и внутреннего стандарта;

k_x - калибровочный (поправочный) коэффициент.

При разработке газохроматографического способа количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ (зарин, зоман, Ви-икс) был проанализирован ряд источников, описывающие аналоги определяемых отравляющих веществ или способы количественного определения химических веществ.

К аналогам можно отнести известные фотометрические способы [4-6] определения фосфорорганических соединений, содержащих фосфоновые группы или фосфонаты. Определяемые этими способами химические вещества не являются физиологически активными и токсичными соединениями и как следствие по физическим, химическим и токсикологическим свойствам значительно отличаются от O-изопропилметилфторфосфоната (зарин), О-3,3-диметилизобутилметилфторфосфоната (зоман), O-этил-S-2-(N,N-диизопропиламино) этилметилтиолфосфоната (Ви-икс). Основой названных аналогов [4-6] является метод фотометрического определения, включающий, как правило, многокомпонентную систему используемых реагентов и соответствующую пробоподготовку. Чувствительность фотометрических методов не превышает 10^-4-10^-5 мг/мл.

Известен аналог [7], позволяющий количественно определять зарин в почве. Количественное определение зарина в почве закономерно связано с длительной и трудоемкой пробоподготовкой. Погрешность определения концентрации зарина в диапозоне от 2·10^-2 до 3·10^-1 мг/кг данным методом не превышает 12%.

Ближайшим аналогом, использующим метод внутреннего стандарта, является источник [8]. Способ количественного определения серы в нефти и нефтепродуктах не содержит громоздкой пробоподготовки, основывается на газовой хроматографии в сочетании с атомно-эмиссионной спектроскопией (АЭД). В качестве внутреннего стандарта используется диметилсульфон.

Применение метода внутреннего стандарта, в предлагаемом в качестве изобретения способе, оправдано, когда необходимо компенсировать погрешности, связанные с подготовкой пробы.

В предлагаемом в качестве изобретения способе условием применимости метода является постоянство отклика пламенно-фотометрического детектора (ПФД) как для аналита, так и для стандарта, либо одинаково изменяющимся для обоих соединений.

В качестве примера для оценки возможности применения метода внутреннего стандарта в определении содержания ФОВ были проведены исследования влияния условий анализа с применением метода газовой хроматографии с пламенно-фотометрическим детектированием на разрешающую способность хроматографической системы и постоянство отклика детектора для аналита и стандарта. В качестве внутреннего стандарта использовались несимметричные и симметричные эфиры метилфосфоновой кислоты (МФК): O-метиловый-O'-изобутиловый эфир МФК, O,O'-диизопропиловый эфир МФК, O,O'-диизобутиловый эфир МФК.

Для простоты проведения исследований принималось, что количества определяемого вещества и внутреннего стандарта в анализируемых растворах одинаковы.

Оптимальная разрешающая способность была достигнута при следующих условиях измерений:

1. Средства измерений - газовый хроматограф фирмы «Agilent» (США), модель 6890 N с пламенно-фотометрическим детектором.

2. Вспомогательные устройства - кварцевая капиллярная колонка НР-5 (фирмы "Hewlett Packard", США), длиной 30 м, внутренним диаметром 0,32 мм, толщиной неподвижной жидкой фазы 0.25 мкм.

3. Условия хроматографирования:

температура инжектора (250.0±1.0)°С; объем вводимой пробы (2,0±0.1) мкл; начальная температура термостата колонки (50.0±1.0)°С; скорость подъема температуры термостата колонки (20.0±0.1)°С/мин; конечная температура термостата колонки (300.0±1.0)°С; объемная скорость азота через колонку (2,0±0.01) см³/мин.

4. Условия работы пламенно-фотометрического детектора:

температура детектора (250.0±1.0)°С; общий поток азота (60,0±1.0) см³/мин; поток воздуха (110,0±1.0) см³/мин; поток водорода (150,0±1.0) см³/мин; детектирование по каналу фосфора (λ - 525 нм).

Время удерживания компонентов пробы внутренних стандартов (эфиров МФК) и фосфорорганических отравляющих веществ (ФОВ) представлена в таблице 1, а хроматограмма их смеси изображена на фиг. 1.

Таблица 1 Время удерживания компонентов пробы Время удерживания, мин. Наименование соединения 2.968 зарин 4.685 зоман 4.718 9.276 Vx 4.879 O-метиловый - O'-изобутиловый эфир МФК 5.108 O,O'-диизопропиловый эфир МФК 6.557 O,O'-диизобутиловый эфир МФК

Таблица 2 Экспериментальные результаты определения площадей хроматографических пиков исследуемых ФОВ и образцов используемых в качестве внутренних стандартов Концентрация компонентов пробы, мг/мл Площадь хроматографического пика, отн.ед. зарин зоман Ви-икс** O,O'-диизопропилового эфира МФК O,O'-диизобутилового эфира МФК 1.Е-01 37878 28062 40833 222709 138078 5.Е-02 7820 6317 8450 66289 64235 1.Е-02 1558 1313 1758 13178 12844 5.Е-03 775 687 846 6539 6420 1.Е-03 148 150 - 1228 1281 Примечание: * - среднее значение площади (по 3 параллельным измерениям); ** - в данных условиях порог чувствительности составляет 1,7·10^-3 мг/мл

Из анализа результатов, представленных на Фиг.1 (хроматограмма смеси внутренних стандартов и ФОВ с концентрацией каждого компонента пробы 1·10^-2 мг/см³) и в таблице 1, следует, что в условиях химического анализа наибольшее разрешение с ФОВ наблюдается у O,O'-диизопропилового эфира МФК и O,O'-диизобутилового эфира МФК. На основании этого обоснованно было принято решение об использовании их в качестве внутреннего стандарта при определении ФОВ (зарин, зоман, Ви-икс). Полученные экспериментальные результаты определения площадей хроматографических пиков исследуемых ФОВ и образцов выбранных эфиров МФК, обоснованных для использования в качестве внутренних стандартов, представлены в таблице 2. С их использованием были вычислены значения калибровочных коэффициентов, которые представлены на Фиг.2 (значения калибровочных коэффициентов для внутреннего стандарта O,O'-диизобутиловый эфир МФК) и Фиг.3 (значения калибровочных коэффициентов для внутреннего стандарта O,O'-диизопропиловый эфир МФК). Вычисленные значения калибровочных коэффициентов представлены в таблице 3.

Таблица 3 Значения калибровочных коэффициентов для фосфорорганических отравляющих веществ Внутренний стандарт Значения калибровочных коэффициентов для анализа ФОВ (для интервала концентраций ФОВ 5×10^-2…1×10^-3 мг/мл) Зарин Зоман Ви-икс* O,O'-диизопропиловый эфир МФК 8.4±0.1 9.5±1.0 7.7±0.2 O,O'-диизобутиловый эфир МФК 8.3±0.2 9.5±0.7 7.5±0.2 Примечание: * - для диапазона концентраций 5×10^-2…1,7×10^-3 мг/мл

Из результатов, представленных на Фиг.2 и 3, следует, что значения калибровочных коэффициентов сохраняются (в пределах погрешности измерений) в интервале концентраций ФОВ 5×10^-2…1×10^-3 мг/мл.

Зная калибровочные (поправочные) коэффициенты, содержание ФОВ рассчитывают по уравнению 2 [1-3]:

где r=m_вн.ст/m_пробы (m - масса, г).

Результаты оценки правильности результатов анализа ФОВ в растворах методом газовой хроматографии с пламенно-фотометрическим детектированием (ГХ с ПФД) и внутреннего стандарта представлены в таблицах 4 и 5.

Расчет содержания ФОВ проводили с использованием экспериментально полученных значений калибровочных коэффициентов, представленных в таблице 3.

Значение тестовой статистики определяли по уравнению 3:

где - среднее значение найденного содержания ФОВ в растворе;

а - заданное содержание определяемого ФОВ;

s(x) - стандартное отклонение;

n - число повторных измерений.

Таблица 4 Результаты оценки правильности результатов определения содержания ФОВ в исследуемых растворах, полученные методом «введено-найдено» с использованием внутреннего стандарта - O,O'-диизопропилового эфира МФК при n=3 и Р=0,95 Анализируемый компонент Введено, мкг Найдено, мкг Стандартное отклонение Значение тестовой статистики (ξ) зарин 50,00 49,70±1,58 0,63 0,81 10,00 9,91±0,24 0,10 1,62 5,00 4,98±0,15 0,06 0.58 1,00 1,01±0,03 0,01 1,73 зоман 50,00 45,30±11,80 4,8 1,72 10,00 9.47±2,47 0,10 0,93 5,00 4,99±1,30 0,05 0,03 1,00 1,16±0,30 0,01 2,27 Ви-икс 50,00 49,10±3,16 1,27 1,25 10,00 10,30±0,66 0,27 1,77 5,00 4,98±0,32 0,13 0,25

Таблица 5 Результаты оценки правильности результатов определения содержания ФОВ в исследуемых растворах, полученные методом «введено-найдено» с использованием внутреннего стандарта - O,O'-диизобутилового эфира МФК при n=3 и Р=0,95 Анализируемый компонент Введено, мкг Найдено, мкг Стандартное отклонение Значение тестовой статистики (ξ) зарин 50.00 50,50±3,02 1,22 0,74 10,00 10,10±0,60 0,24 0,49 5,00 5,01±0,30 0,12 0,14 1,00 0,96±0,06 0,02 3,08 зоман 50,00 46,70±8,55 3,44 1,65 10,00 9,71±1,78 0,72 0,70 5,00 5,08±0,93 0,38 0,39 1,00 1.11±0,20 0,08 2,38 Ви-икс 50,00 49.3±3,27 1,32 0,88 10,00 10,3±0,68 0,27 1,68 5,00 4,94±0,33 0,13 0,77

Из результатов, представленных в таблицах 4 и 5, следует, что тестовая статистика не превосходит критического значения, равного - 4,30 (значение коэффициента Стьюдента для Р=0,95 и числа степеней свободы равного 2). На основании этого можно сделать вывод, что отличие результата анализа от действительного значения незначимо, а использование в качестве внутреннего стандарта O,O'-диизопропилового эфира МФК или О,О'-диизобутилового эфира МФК позволяет получить достоверные результаты анализа ФОВ.

Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований показана принципиальная возможность использования метода внутреннего стандарта для количественной оценки содержания ФОВ в растворах с применением газовой хроматографии с пламенно-фотометрическим детектированием. Установлена принципиальная возможность использования аттестованных государственных стандартных образцов (ГСО) состава диалкиловых эфиров МФК (O,O'-диизопропиловый эфир МФК, O,O'-диизобутиловый эфир МФК) в качестве внутреннего стандарта, для количественной оценки содержания ФОВ (зарин, зоман, Ви-икс). В целом анализ всех проведенных исследований (таблица 1, Фиг.1) показывают, что O-метиловый - O'-изобутиловый эфир МФК также можно использовать для количественного определения ФОВ в качестве внутреннего стандарта, но только веществ зарин и Ви-икс, с которыми у него достаточное расхождение по времени удерживания. В связи с чем по нашей оценке имеет место использование в качестве внутреннего стандарта O-метилового - O'-изобутилового эфира МФК для количественного определения некоторых ФОВ (зарин, Ви-икс) с использованием газового хроматографа фирмы «Agilent» (США), модель 6890 N с пламенно-фотометрическим детектором или его аналогов.

Аттестованные государственные стандартные образцы (ГСО) состава диалкиловых эфиров МФК и других производных МФК, не являющиеся высокотоксичными продуктами, не имеют ограничений на перевозку по территории Российской Федерации. Это условие позволяет беспрепятственно снабжать ГСО на основе диалкиловых эфиров МФК и других производных МФК учреждения, организации и воинские части, что позволяет последним оперативно решать возложенные на них задачи в условиях законного юридического поля по достижению единства измерений [9], достоверности и точности получаемых результатов.

Источники информации

1. Основы аналитической химии (под редакцией академика Ю.А. Золотова). Книга 1 Общие вопросы. Методы разделения. М.: Высшая школа, 1999 - 351 с.

2. Количественный газохроматографический анализ: Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу физико-химических методов анализа/ Сост.Апраксин В.Ф., СПб.: СПХФА, 1999. - 12 с.

3. J.Vindevogel, P.Sandra, Introduction to MEKC, in: Chromatographic Methods, Hutig Verlag, Heidelberg 1992.

4. Плигина Э.С., Крамнюк Л.Ф, Семерикова Г.И., Воронина В.В. Авторское свидетельство СССР №1051415 «Способ определения фосфорорганических соединений, содержащих фосфоновые группы». Сибирский научно-исследовательский институт нефтяной промышленности, 1982.07.30.

5. Михалев А.С., Дрикер Б.Н., Ремпель С.И. Авторское свидетельство СССР №1016734 «Способ определения фосфорорганических соединений, содержащих фосфоновые группы», Уральский ордена Трудового Красного Знамени лесотехнический институт им. Ленинского комсомола, 1982.01.22.

6. Рычкова В.И., Маклакова В.П. Авторское свидетельство СССР №1122945 «Способ количественного определения фосфонатов в воде», Уральский филиал Всесоюзного дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический НИИ им. Ф.Э. Дзержинского, 1983.05.20.

7. Алимов Н.И., Лобур А.Ю., Баженов С.А., Солодкова Л.Н., Щербин С.Н. Патент на изобретение №2213349 «Способ определения микроколичеств изопропилового эфира фторангидрида метилфосфоновой кислоты в почве», войсковая часть 61469, 2001.01.15.

8. Пономарев А.С., Штыков С.Н., Бульхин Н.Ш., Денисов Н.С., Конешов А.С., Лагоша С.М., Лукина Т.Ю., Тиунов А.И. Патент на изобретение №2143680 «Способ количественного определения суммарной серы в серусодержащих нефтепродуктах», Саратовское ВВИУХЗ, 1997.06.18.

9. Закон Российской Федерации. «Об обеспечении единства измерений». №4871-1 от 27.04.1993 г.

Изобретение относится к исследованию или анализу небиологических материалов химическими способами, конкретно к количественному определению фосфорорганических отравляющих веществ. Газохроматографический способ количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ зарин, зоман, Ви-икс, заключается в том, что для количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ используют метод внутреннего стандарта. При этом в качестве внутреннего стандарта используют Государственные стандартные образцы диалкиловых эфиров метилфосфоновой кислоты. Кроме того, в газохроматографическом способе количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ применяют пламенно-фотометрический детектор по каналу фосфора при длине волны λ=525 нм. Техническим результатом изобретения является количественное определение в рамках единства измерений с достаточной достоверностью и точностью получаемых результатов. 1 з.п. ф-лы, 5 табл., 3 ил.

1. Газохроматографический способ количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ - зарин, зоман, Ви-икс, заключающийся в том, что для их количественного определения используют метод внутреннего стандарта, при этом в качестве внутреннего стандарта используют Государственные стандартные образцы состава диалкиловых эфиров метилфосфоновой кислоты и применяют пламенно-фотометрический детектор по каналу фосфора при длине волны λ=525 нм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве внутреннего стандарта используют Государственные стандартные образцы состава или O-метиловый-O'-изобутиловый эфир метилофосфоновой кислоты, или O,O'-диизопропиловый эфир метилофосфоновой кислоты, или O,O'-диизобутиловый эфир метилофосфоновой кислоты.