Изобретение относится к области аналитической химии и может найти применение в области экологии и охраны окружающей среды при контроле загрязнения атмосферы для определения разовых и среднесуточных концентраций ванадия в атмосферном воздухе.
В результате возрастающего антропогенного воздействия наблюдается загрязнение атмосферного воздуха тяжелыми металлами, в том числе ванадием. Ванадий является высокотоксичным элементом, относится к первому классу опасности. Физиологическая роль ванадия недостаточно изучена. Полагают, что ванадий участвует в регуляции углеводного обмена и сердечно-сосудистой деятельности, усиливает поглощение кислорода тканями печени и катализирует окисление ферментами. Интоксикация ванадием у людей почти всегда связана с техногенным фактором.
Для расширения аналитических возможностей, для установления реальной концентрации ванадия в атмосферном воздухе при оценке рисков здоровью населения необходимо определять содержание ванадия в атмосферном воздухе на уровне референтной концентрации. В этой связи актуальной является разработка чувствительного и селективного метода с использованием современных физико-химических методов анализа.
Известны способы определения ванадия в атмосферном воздухе, а именно:
- Методика М-МВИ-151-2005, предназначенная для определения ряда металлов, в том числе ванадия, в атмосферном воздухе рентгенофлуоресцентным методом;
- Методика 5.2.5.1 в РД 52.04 186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы», предназначенная для определения ванадия в атмосферном воздухе в диапазоне 0,001-0,01 мг/м3 фотометрическим методом. Метод основан на улавливании ванадия на фильтры АФА-ХП-18 и фотометрическом определении его массы по окрашенному в фиолетовый цвет комплексному соединению, образующемуся при взаимодействии ванадия с салицилгидроксамовой кислотой.
Недостатками указанных известных методов является недостаточная чувствительность и селективность.
Техническая задача, решаемая предлагаемыми вариантами способа, заключается в обеспечении возможности определения ванадия в атмосферном воздухе на уровне референтной концентрации. А единый технический результат - повышение чувствительности и селективности способа при обеспечении расширения диапазона обнаружения ванадия от 0,000005 мг/м3 до 0,02 мг/м3, при одновременном уменьшении объема протянутого через фильтр воздуха до 1 м3 и упрощении операции пробоподготовки в способе.
Указанный технический результат достигается предлагаемым способом определения концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, согласно которому по первому варианту производят отбор пробы атмосферного воздуха путем протягивания исследуемого воздуха через аналитический аэрозольный фильтр со скоростью 50 л/мин в течение 20 минут и фиксируют температуру воздуха и атмосферное давление на момент отбора пробы, после отбора фильтр подвергают разложению методом микроволновой пробоподготовки, при которой фильтр помещают во фторопластовый стакан и последовательно добавляют в него раствор внутреннего стандарта эрбия или тербия в деионизованной воде с концентрацией 1 мг/дм3 и концентрированную азотную кислоту, пробу минерализуют по программе к микроволновой системе подготовки проб, переносят полученный минерализат в полипропиленовую пробирку, производят смывы фторопластового стакана из-под пробы 2-3 раза путем введения по 1 мл деионизованной воды, встряхивания и перенесения каждого смыва в указанную пробирку, доводят объем пробы деионизованной водой до 10 мл, содержимое перемешивают, затем производят разведение полученной пробы деионизованной водой в объемном соотношении 1:9 соответственно, помещают ее в пробирку пробоотборного устройства масс-спектрометра с индуктивно связанной аргоновой плазмой и проводят измерение, а концентрацию ванадия в воздухе определяют с использованием градуировочного графика с учетом приведения объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям; а по второму варианту производят отбор пробы атмосферного воздуха путем протягивания исследуемого воздуха через аналитический аэрозольный фильтр со скоростью 50 л/мин в течение 20 минут и фиксируют температуру воздуха и атмосферное давление на момент отбора пробы, после отбора фильтр подвергают разложению методом подготовки проб в муфельной печи, при которой фильтр помещают в кварцевый стаканчик и добавляют раствор внутреннего стандарта эрбия или тербия в деионизованной воде с концентрацией 1 мг/дм3, стаканчик помещают в муфельную печь и выдерживают последовательно при температуре 100°С 40-60 минут, при температуре 250°С 40-60 минут, далее проводят озоление при температуре 450-500°С в течение 3,5 часов, образовавшуюся золу смачивают концентрированной азотной кислотой, нагревают на песчаной бане и упаривают до состояния влажных солей, после остывания растворяют в 1%-ном водном растворе азотной кислоты с получением минерализата, переносят полученный минерализат в мерную пробирку, производят смывы кварцевого стаканчика из-под пробы 2-3 раза путем введения по 1 мл 1%-ного водного раствора азотной кислоты, перенося смывы в пробирку с пробой, образовавшийся объем доводят до 10 мл 1%-ным водным раствором азотной кислоты, затем производят разведение полученной пробы 1%-ным водным раствором азотной кислоты в объемном соотношении 1:9 соответственно, помещают ее в пробирку пробоотборного устройства масс-спектрометра с индуктивно связанной аргоновой плазмой и проводят измерение, а концентрацию ванадия определяют с использованием градуировочного графика с учетом приведения объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям.
По обоим вариантам в качестве аналитического аэрозольного фильтра используют фильтры АФА-ХА.
Указанный технический результат достигается за счет следующего. В основе предлагаемого способа лежит использование аргоновой индуктивно связанной плазмы в качестве источника ионов и масс-спектрометра для их разделения и детектирования.
Обеспечение возможности определения ванадия в атмосферном воздухе на уровне референтной концентрации стало возможным благодаря тому, что использован высокочувствительный и селективный способ МС-ИСП, подобраны условия анализа на масс-спектрометре, приемы и условия подготовки проб, снижено значение холостого опыта за счет пробоподготовки с введением внутреннего стандарта, подбора условий использования высокочистых реактивов и материалов.
Упрощение пробоподготовки по обоим вариантам достигается за счет того, что исключены этапы, которые характерны для известных способов:
- предварительного синтеза салицилгидроксамовой кислоты,
- приготовления основного (исходного) раствора для градуировки из сухого аммония метаванадиевокислого, требующего, в свою очередь, предварительной перекристаллизации, промывки этанолом и высушивания,
- пробоподготовки дополнительных фильтров с нанесением рабочего градуировочного раствора для построения градуировочного графика,
- нагревания на водяной бане,
- фильтрования,
- кроме этого, исключаются использование ледяной уксусной кислоты (является прекурсором) и необходимость соблюдения и контроля точного времени между окончанием пробоподготовки и проведением анализа на приборе.
Таким образом, заявляемый технический результат обеспечивается за счет совокупности определенных операций, их последовательности и режимов в заявляемом способе, а также за счет совокупности реагентов, используемых при пробоподготовке.
Предлагаемый способ был опробован в лабораторных условиях. Для его реализации были использованы следующие вещества и оборудование:
- государственный стандартный образец раствора: ионов ванадия ГСО - 7266-96;
- основной раствор внутреннего стандарта эрбия (Er) или тербия (Tb) концентрации 1 мг/дм3;
- кислота азотная, ос.ч., ГОСТ 11125-84;
- дистиллированная вода, ТУ 6-09-2502-77;
- деионизованная вода;
- аргон жидкий высокой чистоты (99,998%), ТУ-2114-005-00204760-99.
- азотная кислота (HNO3), 1%-ной концентрации;
- раствор внутреннего стандарта Er или Tb с массовой концентрацией 1 мкг/дм3 в деионизованной воде.
- Масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой с октопольной ячейкой Agilent 7500сх.
При проведении процессов приготовления растворов и подготовки проб к анализу соблюдают следующие условия:
- температура воздуха 18-25°С;
- атмосферное давление 630-800 мм рт.ст.;
- влажность воздуха не более 80% при температуре 25°С.
Приготовление растворов
1. Раствор азотной кислоты 1%-ный.
8 см3 концентрированной азотной кислоты плотностью 1,415 г/см3 смешивают с 512 см3 деионизованной воды. Хранят в полиэтиленовой посуде.
2. Промежуточный раствор внутреннего стандарта с содержанием эрбия (или тербия) 100 мкг/дм3.
Готовят из основного раствора с содержанием 1 мг/дм3. В мерную колбу вместимостью 50 см3 вносят 5 см3 основного раствора с содержанием 1 мг/дм3 и доводят объем в колбе до метки 1%-ным раствором азотной кислоты. Раствор хранят в полипропиленовой пробирке 2-3 дня.
3. Раствор внутреннего стандарта с массовой концентрацией 1 мкг/дм3 в деионизованной воде.
0,5 см3 промежуточного раствора внутреннего стандарта с содержанием, например, эрбия (или тербия) 100 мкг/дм3 вносят в мерную колбу вместимостью 50 см3 и доводят объем деионизованной водой до метки. Переливают в полипропиленовую пробирку.
4. Основной стандартный раствор с содержанием ванадия 100 мг/дм3.
Раствор готовят из ГСО с массовой концентрацией ионов металла 1 г/дм3. В мерную колбу вместимостью 50 см3 вносят 5 см3 ГСО состава раствора ионов металла и доводят объем в колбе до метки 1%-ным раствором азотной кислоты.
5. Промежуточный раствор стандартного образца с массовой концентрацией ванадия 10 мг/дм3.
Готовят из основного раствора стандартного образца с массовой концентрацией ванадия 100 мг/дм3. В мерную колбу вместимостью 100 см3 вносят 10 см3 основного стандартного раствора и доводят объем в колбе до метки 1%-ным раствором азотной кислоты. Раствор хранят в полиэтиленовой посуде в течение 3 месяцев.
6. Вспомогательный раствор №1 с массовой концентрацией ванадия 100 мкг/дм3.
Готовят из промежуточного раствора стандартного образца с массовой концентрацией ванадия 10 мг/дм3.
В мерную колбу вместимостью 50 см3 вносят 0,5 см3 промежуточного раствора стандартного образца и доводят объем в колбе до метки 1%-ным раствором азотной кислоты.
7. Вспомогательный раствор №2 с массовой концентрацией ванадия 50 мкг/дм3.
Готовят из промежуточного раствора стандартного образца с массовой концентрацией ванадия 10 мг/дм3.
В мерную колбу вместимостью 100 см3 вносят 0,5 см3 промежуточного раствора стандартного образца и доводят объем в колбе до метки 1%-ным раствором азотной кислоты.
8. Вспомогательный раствор №3 с массовой концентрацией ванадия 10 мкг/дм3.
Готовят из вспомогательного раствора №1 с массовой концентрацией ванадия 100 мкг/дм3.
В мерную колбу вместимостью 50 см3 вносят 5 см3 вспомогательного раствора №1 и доводят объем в колбе до метки 1%-ным раствором азотной кислоты.
Построение градуировочного графика производят с использованием растворов, приведенных в таблице 1.
Градуировочный график устанавливают на вышеуказанных градуировочных растворах. Определение градуировочной зависимости, обработка и хранение результатов градуировки выполняются программным обеспечением масс-спектрометра.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом:
- по обоим вариантам вначале производят отбор пробы атмосферного воздуха в объеме 1 м3 путем протягивания исследуемого воздуха через аналитический аэрозольный фильтр, например, марки АФА-ХА со скоростью 50 л/мин в течение 20 минут;
- при этом фиксируют температуру воздуха и атмосферное давление на момент отбора пробы, учитывая, что в дальнейшем, при установлении концентрации ванадия, производят приведение объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям;
- после отбора фильтр сворачивают вчетверо экспонированной поверхностью внутрь, помещают в пакет из кальки и полиэтиленовый пакет;
- после отбора пробы указанный фильтр подвергают по первому варианту разложению методом микроволновой пробоподготовки, при которой:
- экспонированный фильтр помещают во фторопластовый стакан,
- добавляют 0,1 мл раствора эрбия (или тербия) в деионизованной воде с массовой концентрацией 1 мг/дм3 и добавляют 5 мл концентрированной азотной кислоты плотностью 1,415 г/см3,
- пробу минерализуют по программе к микроволновой системе пробоподготовки (в качестве микроволновой системы использовали печь марки МС-6 производства Объединение «Вольта» г.Санкт-Петербург, к которой приложен ряд Методик, в частности Методика минерализации фильтров),
- далее минерализованную пробу переносят в мерную полипропиленовую пробирку вместимостью 15 мл, затем производят смывы остатка пробы 2-3 раза путем внесения в стакан по 1 мл деионизованной воды, встряхивают и переносят каждый смыв в пробирку с минерализатом, доводят объем пробы до 10 мл деионизованной водой,
- закрывают пробирку лабораторной герметизирующей пленкой, перемешивают пробу. На этом закончен цикл микроволновой пробоподготовки.
По второму варианту производят пробоподготовку в муфельной печи, при которой:
- экспонированные фильтры помещают в кварцевые стаканчики, вносят 0,1 мл внутреннего стандарта с массовой концентрацией Er (или Tb) 1 мг/дм3. Стаканчики устанавливают в муфельную печь. Выдерживают при температуре 100°С 40-60 мин, далее при температуре 250°С 40-60 мин, озоляют при температуре 450-500°С 3,5 часа. Образовавшуюся золу смачивают 0,3 мл концентрированной HNO3 плотностью 1,415 г/см3, нагревают на песчаной бане, упаривая до состояния влажных солей. После остывания растворяют в 5 мл 1%-ного водного раствора HNO3, переносят в мерную полипропиленовую пробирку вместимостью 15 мл, 2-3 раза споласкивают кварцевый стаканчик 1 мл 1%-ного раствора HNO3, перенося каждый смыв в пробирку, объем доводят до 10 мл 1%-ной HNO3, закрывают пробирку лабораторной герметизирующей пленкой, перемешивают пробу. На этом закончен цикл пробоподготовки в муфельной печи.
Одновременно с анализируемыми пробами готовят 2-3 холостые пробы, состоящие из неэкспонированных фильтров из той же партии, что и экспонированные фильтры.
Пробы после растворения подготавливают к измерению, проводя их разбавление. Для этого в пробирку автоматического пробоотборника масс-спектрометра (или другую пробирку, из которой распыляют пробу при измерении) вносят 0,5 мл пробы и 4,5 мл деионизованной воды (для проб с пробоподготовкой в микроволновой системе) или 4,5 мл 1%-ного раствора азотной кислоты (HNO3) (для проб из муфельной печи). Закрывают пробирку герметизирующей пленкой, перемешивают. Направляют на измерение на масс-спектрометре Agilent 7500сх при следующих условиях:
В растворах холостых и исследуемых проб, в градуировочных растворах должна быть одинаковая концентрация внутреннего стандарта (1 мкг/дм3).
Концентрацию ванадия определяют с использованием градуировочного графика с учетом приведения объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям.
Результат определения ванадия в атмосферном воздухе представляется как среднее из нескольких параллельных измерений анализируемого раствора.
Массовую концентрацию ванадия в атмосферном воздухе (мг/м3) вычисляют по формуле:
где Х - массовая концентрация ванадия в атмосферном воздухе, мг/м3 (мкг/дм3);
а - массовая концентрация ванадия в растворе подготовленной пробы, определена по градуировочному графику, мкг/дм3;
õï - массовая концентрация ванадия в растворе холостой пробы, определена по градуировочному графику, мкг/дм3;
V1 - объем раствора пробы с учетом разбавления, дм3;
V0 - объем воздуха, отобранный для анализа и приведенный к нормальным условиям, дм3.
V0 вычисляют по формуле:
где V - объем протянутого воздуха, дм3;
Р - атмосферное давление при отборе пробы воздуха, мм рт.ст.;
t - температура воздуха в момент отбора, °С.
Полученные результаты измерений ванадия предлагаемым способом приведены в таблице 2 (по этим результатам определений рассчитывают показатели повторяемости и воспроизводимости результатов). Одновременно по результатам определений (Xn), приведенным в данной таблице 2, можно судить о чувствительности метода.
Из таблицы 3 видно влияние внутреннего стандарта на определение ванадия предлагаемым способом, особенно важно введение внутреннего стандарта для более точного определения низких концентраций ванадия (0,05; 0,1 мкг/дм3).
Для определения относительной погрешности способа использовали способ «введено - найдено».
Проводят анализ проб с добавлением в них определенного количества анализируемого компонента ванадия (добавка составляет 50-150% от концентрации в рабочей пробе), в данном случае ванадия, для выяснения правильности и точности анализа (относительная погрешность). Полученные результаты измерений ванадия в подготовленной пробе с его добавкой приведены в таблице 4. В данном примере величина добавки ванадия С=0,1 мкг/дм3, среднее обнаруженное значение внесенной добавки составило 0,095±0,009 мкг/дм3.
В ходе лабораторных испытаний предлагаемого способа были установлены следующие данные: диапазон измерений ванадия в атмосферном воздухе, значения показателей точности, повторяемости, внутрилабораторной прецизионности, воспроизводимости предлагаемого способа. Данные приведены в таблице 5.
Приведенные в таблице 5 данные показывают, что предлагаемый способ позволяет с высокой степенью точности и достоверности определять в атмосферном воздухе ванадий в диапазоне концентраций 0,000005-0,02 мг/м3. Чувствительность способа позволяет обнаружить низкие концентрации ванадия в атмосферном воздухе, в том числе на уровне референтных значений (0,00007 мг/м3). Например, на основании результатов определений (таблица 2), после проведения расчетов (с использованием градуировочного графика и формул) с учетом значений холостого опыта и условий, указанных в предлагаемом способе (1 м3, отобранного воздуха, разбавление минерализата в 100 раз), содержание ванадия в атмосферном воздухе составит 0,000006 мг/м3, что даже ниже референтной концентрации.
Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает высокую точность измерений 21% и характеризуется высокой селективностью (таблица 6).
ℓ=1, L
n=1, N
N=2
Изобретение относится к способу определения концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (вариантам). При этом один из вариантов характеризуется тем, что производят отбор пробы атмосферного воздуха путем протягивания исследуемого воздуха через аналитический аэрозольный фильтр со скоростью 50 л/мин в течение 20 минут и фиксируют температуру воздуха и атмосферное давление на момент отбора пробы. После отбора фильтр подвергают разложению методом микроволновой пробоподготовки, при которой фильтр помещают во фторопластовый стакан и последовательно добавляют в него раствор внутреннего стандарта эрбия или тербия в деионизованной воде с концентрацией 1 мг/дм3 и концентрированную азотную кислоту. Затем пробу минерализуют по программе к микроволновой системе подготовки проб, переносят полученный минерализат в полипропиленовую пробирку, производят смывы фторопластового стакана из-под пробы 2-3 раза путем введения по 1 мл деионизованной воды, встряхивания и перенесения каждого смыва в указанную пробирку. Далее доводят объем пробы деионизованной водой до 10 мл, содержимое перемешивают, затем производят разведение полученной пробы деионизованной водой в объемном соотношении 1:9 соответственно, помещают ее в пробирку пробоотборного устройства масс-спектрометра с индуктивно связанной аргоновой плазмой и проводят измерение, а концентрацию ванадия в воздухе определяют с использованием градуировочного графика с учетом приведения объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям. Использование настоящего изобретения позволяет повысить чувствительность и селективность при обеспечении расширения диапазона обнаружения ванадия от 0,000005 мг/м3 до 0,02 мг/м3. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 табл.
1. Способ определения концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, характеризующийся тем, что производят отбор пробы атмосферного воздуха путем протягивания исследуемого воздуха через аналитический аэрозольный фильтр со скоростью 50 л/мин в течение 20 мин и фиксируют температуру воздуха и атмосферное давление на момент отбора пробы, после отбора фильтр подвергают разложению методом микроволновой пробоподготовки, при которой фильтр помещают во фторопластовый стакан, и последовательно добавляют в него раствор внутреннего стандарта эрбия или тербия в деионизованной воде с концентрацией 1 мг/дм3 и концентрированную азотную кислоту, пробу минерализуют по программе к микроволновой системе подготовки проб, переносят полученный минерализат в полипропиленовую пробирку, производят смывы фторопластового стакана из-под пробы 2-3 раза путем введения по 1 мл деионизованной воды, встряхивания и перенесения каждого смыва в указанную пробирку, доводят объем пробы деионизованной водой до 10 мл, содержимое перемешивают, затем производят разведение полученной пробы деионизованной водой в объемном соотношении 1:9 соответственно, помещают ее в пробирку пробоотборного устройства масс-спектрометра с индуктивно связанной аргоновой плазмой и проводят измерение, а концентрацию ванадия в воздухе определяют с использованием градуировочного графика с учетом приведения объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве аналитического аэрозольного фильтра используют фильтры АФА-ХА.
3. Способ определения концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, характеризующийся тем, что производят отбор пробы атмосферного воздуха путем протягивания исследуемого воздуха через аналитический аэрозольный фильтр со скоростью 50 л/мин в течение 20 мин и фиксируют температуру воздуха и атмосферное давление на момент отбора пробы, после отбора фильтр подвергают разложению методом подготовки проб в муфельной печи, при которой фильтр помещают в кварцевый стаканчик и добавляют раствор внутреннего стандарта эрбия или тербия в деионизованной воде с концентрацией 1 мг/дм3, стаканчик помещают в муфельную печь и выдерживают последовательно при температуре 100°С 40-60 мин, при температуре 250°С 40-60 мин, далее проводят озоление при температуре 450-500°С в течение 3,5 ч, образовавшуюся золу смачивают концентрированной азотной кислотой, нагревают на песчаной бане и упаривают до состояния влажных солей, после остывания растворяют в 1%-ном водном растворе азотной кислоты с получением минерализата, переносят полученный минерализат в мерную пробирку, производят смывы кварцевого стаканчика из-под пробы 2-3 раза путем введения по 1 мл 1%-ного водного раствора азотной кислоты, перенося смывы в пробирку с пробой, образовавшийся объем доводят до 10 мл 1%-ным водным раствором азотной кислоты, затем производят разведение полученной пробы 1%-ным водным раствором азотной кислоты в объемном соотношении 1:9 соответственно, помещают ее в пробирку пробоотборного устройства масс-спектрометра с индуктивно связанной аргоновой плазмой и проводят измерение, а концентрацию ванадия определяют с использованием градуировочного графика с учетом приведения объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям.
4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве аналитического аэрозольного фильтра используют фильтры АФА-ХА.
Способ определения ванадия (ш) | 1980 |
|
SU899479A1 |
Способ подготовки пробы для определения ванадия в углеродистых материалах | 1986 |
|
SU1386878A1 |
JP 11352033 А, 24.12.1999. |
Авторы
Даты
2012-11-10—Публикация
2011-04-08—Подача