УСТРОЙСТВО С КОЛОНКОЙ ДЛЯ ГИДРОФИЛЬНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ И ОБОГАТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ТВЕРДОФАЗНОЙ ЭКСТРАКЦИЕЙ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ОБРАЗЦОВ И АНАЛИЗА ПЕСТИЦИДОВ Российский патент 2016 года по МПК G01N30/08 

Область техники

Изобретение относится к устройству для подготовки образцов и анализа пестицидов в образцах посредством хроматографии. Пестициды применяются для защиты растений от вредителей. Поскольку они могут попасть в пищевую цепь в виде остатков, законодательно устанавливаются предельные значения, соблюдение которых контролируется посредством анализов. Анализ пестицидов для разных образцов производится с различными матрицами образцов. Поэтому цель анализа в том, чтобы как можно лучше отделить пестициды в образцах от матрицы и затем анализировать их. Наряду с достижением высокой достоверности, задача разработки состоит в том, чтобы автоматизировать подготовку и анализ образцов и удерживать низкими трудовые затраты и расход химикатов для анализа.

Уровень техники

В публикации “Validation of a Simple and Rapid Multiresidue Method (QuEChERS) and its Implementation in Routine Pesticide Analysis”, авторы M. Anastassiades, E. Scherbaum и D. Bertsch, стендовый доклад, симпозиум MGPR, май 2003 г. в Экс-ан-Прованс, Франция, раскрыт упрощенный способ подготовки образцов для инструментального анализа пестицидов с помощью газовой хроматографии с масс-селективным детектором или жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектором. Этот способ заменяет разные шаги более простыми шагами. При этом происходит добавление разных химикатов, таких как MgSO₄, NaCl и ацетонитрил, и проводятся различные подготовительные шаги, такие как взбалтывание или центрифугирование для подготовки образцов.

Известный под названием «S19» модульный мультиметод Шпехта для определения остатков пестицидов в продуктах питания включает в себя по существу экстракцию и распределение, гель-проникающую хроматографию (GPC), хроматографию на маленькой силикагельной колонке и последующее газохроматографическое определение с помощью разных детекторов.

При методе химического элюирования по Альдеру гомогенизированный образец после настройки стандартного влагосодержания экстрагируется с помощью метанола, а затем центрифугированный экстракт очищается посредством жидкостно-жидкостного разделения на кизельгуре. Тем самым подлежащие анализу пестициды отделяются от мешающих компонентов матрицы. Наконец, необходимое для элюирования относительно большое количество дихлорметана концентрируется, и остаток поглощается пригодным для измерения растворителем, чаще всего метанолом.

При всех известных способах автоматизация происходит путем моделирования произведенных обычно вручную операций. При этом экстракция образца происходит с помощью различных растворителей. Очистка и измерение экстракта требует в лаборатории большого количества разных шагов (жидкостно-жидкостное распределение, твердофазная экстракция, гель-проникающая хроматография и т.д.).

Для упрощения трудоемкой подготовки образцов имеются эффективные детекторы. Автоматизация происходит на основании описанного выше уровня техники.

Недостатками всех известных способов являются большие трудовые затраты и высокий расход материалов. В некоторых способах достоверность результатов и количество анализируемых пестицидов ограничены.

Раскрытие существа изобретения

Задачей изобретения является подготовка образцов более экономичным способом и снижение трудовых затрат и расхода материалов. Согласно изобретению задача решается с помощью устройства, которое содержит:

(а) колонку для гидрофильной хроматографии с первым насосом для растворителя с преимущественно низким содержанием воды и/или неполярного растворителя,

(б) обогатительное устройство с твердофазной экстракцией,

(в) вторую хроматографическую колонку со вторым насосом для растворителя с преимущественно высоким содержанием воды и/или полярного растворителя,

(г) детектор, и

(д) вентильный блок для управления потоками образца и матрицы, выполненный таким образом, что поток образца в первом положении коммутации вентильного блока является подаваемым от колонки для гидрофильной хроматографии к обогатительному устройству с твердофазной экстракцией, а во втором положении коммутации обогащенный в обогатительном устройстве с твердофазной экстракцией образец является подаваемым в обратном направлении от обогатительного устройства с твердофазной экстракцией через вторую хроматографическую колонку к детектору.

При этом в предпочтительном варианте осуществления изобретения в первом положении коммутации вентильного блока растворитель с преимущественно высоким содержанием воды и/или полярный растворитель с помощью второго насоса нагнетается в обратном направлении через вторую хроматографическую колонку и затем удаляется.

Устройство согласно изобретению позволяет получить полную автоматизацию подготовки образцов и анализа. Неочищенные экстракты непосредственно очищаются, то есть освобождаются от мешающей матрицы, и анализируются. Экстракция образца перед введением производится с помощью растворителя с низким содержанием воды и/или неполярного растворителя. Для этого особенно хорошо подходит ацетонитрил (ACN). Особенно выгодным оказалось соотношение компонентов смеси 95 об.% ACN и 5 об.% воды. Экстракт может быть использован непосредственно для измерения. Очистка экстракта производится автоматически хроматографическим способом на колонке для гидрофильной хроматографии.

Применение колонки для гидрофильной хроматографии особенно выгодно, потому что там пестициды могут хорошо отделяться от мешающих компонентов матрицы. Пестициды элюируются раньше, чем матрица, и улавливаются в обогатительном устройстве с твердофазной экстракцией. Матрица остается в колонке для гидрофильной хроматографии и может элюироваться позже.

Видно, что в отличие от прежних попыток автоматизации здесь не моделируется существующий способ, а применяется новый способ с новым устройством. Вместо осуществления жидкостно-жидкостного распределения здесь используется колонка для гидрофильной хроматографии. В то время как пестициды подвергаются анализу на втором шаге во второй аналитической хроматографической колонке, колонка для гидрофильной хроматографии может очищаться.

Предпочтительно вторая аналитическая хроматографическая колонка эксплуатируется как хроматографическая колонка с обратной фазой. Неожиданно оказалось, что соединение колонки для гидрофильной хроматографии с хроматографической колонкой с обратной фазой дает в качестве мультиметода для определения остатков пестицидов особенно воспроизводимые результаты с хорошими пределами обнаружения и чувствительностью.

Устройство согласно изобретению обеспечивает регистрацию спектра действующих начал известных, классических способов без ручной подготовки образцов. Обогащение в обогатительном устройстве с твердофазной экстракцией имеет еще то преимущество, что могут быть реализованы большие вводимые объемы. За счет этого пределы обнаружения и чувствительность еще более повышаются.

Во втором положении коммутации обогащенные компоненты с начинающимся градиентом в процессе с обратным потоком передаются на вторую аналитическую колонку. Одновременно элюируется матрица из колонки для гидрофильной хроматографии и кондиционируется колонка для следующего анализа. Изделия одноразового употребления для очистки не применяются. Это сохраняет окружающую среду, и способ и устройство становятся особо экономичными.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения в начале анализа в качестве растворителя с высоким содержанием воды и/или полярного растворителя применяется по меньшей мере 90 об.% воды. Помимо этого растворитель с высоким содержанием воды и/или полярный растворитель может содержать 3-7 об.%, предпочтительно 5 об.% ацетонитрила и/или MeOH. С помощью этого растворителя обогащенные пестициды из обогатительного устройства с твердофазной экстракцией передаются на вторую аналитическую хроматографическую колонку.

Второй хроматографической колонкой может быть колонка для высокоэффективной жидкостной хроматографии. Однако может быть использована также колонка для газовой хроматографии. Затем в автономном режиме происходит элюирование в обогатительном устройстве с твердофазной экстракцией. Потом элюат анализируется в газохроматографической колонке. Другими словами: колонка для гидрофильной хроматографии и обогатительное устройство с твердофазной экстракцией служат для подготовки образцов для газохроматографической колонки. При таком использовании обогащенный образец из обогатительного устройства с твердофазной экстракцией смывается растворителем, например уксусноэтиловым эфиром и/или ацетоном, в сосуд и затем анализируется с помощью газохроматографической колонки.

В особо предпочтительном варианте осуществления изобретения часть потока образца, которая в первом положении коммутации в течение выбранного времени обогащения проходит через обогатительное устройство с твердофазной экстракцией, направляется прямо на детектор. Это, прежде всего, не поддающиеся обогащению полярные пестициды. Они направляются прямо к детектору и там измеряются. Одновременно отделяется матрица. В качестве детектора пригоден, прежде всего, масс-спектрометр.

Описанное устройство пригодно для осуществления способа подготовки образцов и анализа пестицидов в образцах, отличающегося шагами:

(а) введение растворенного в растворителе с преимущественно низким содержанием воды и/или неполярном растворителе образца из содержащего матрицу неочищенного раствора неочищенного экстракта в колонку для гидрофильной хроматографии с растворителем с преимущественно низким содержанием воды и/или неполярным растворителем,

(б) обогащение, по меньшей мере, большей части содержащихся в образце пестицидов в обогатительном устройстве с твердофазной экстракцией,

(в) подача части образца, обогащенной пестицидами в обогатительном устройстве с твердофазной экстракцией, в обратном направлении от обогатительного устройства с твердофазной экстракцией через вторую хроматографическую колонку с растворителем с преимущественно высоким содержанием воды и/или полярным растворителем посредством переключения вентильного блока после выбранной продолжительности обогащения, и

(г) детектирование разделенных во второй хроматографической колонке компонентов образца.

Часть потока образца, которая во время выбранной продолжительности обогащения протекает через обогатительное устройство с твердофазной экстракцией, детектируется при этом предпочтительно непосредственно.

Способ является особенно выгодным, если колонка для гидрофильной хроматографии в течение части времени анализа во втором положении коммутации регенерируется с помощью насоса на масс-спектрометре, а в течение оставшейся части времени посредством колонки анализа приготовляется часть образца пестицидов для газовой хроматографии. Это приводит к тому, что во время анализа с помощью жидкостной хроматографии и масс-спектрометра сразу может происходить подготовка образцов для анализа с помощью газовой хроматографии.

Варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения. Пример осуществления далее подробнее поясняется со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематическое изображение устройства для подготовки образцов и анализа пестицидов в первом положении коммутации.

Фиг.2 - изображенное на фиг.1 устройство во втором положении коммутации.

Описание примера осуществления

На фиг.1 и фиг.2 показано устройство для автоматического анализа пестицидов в образцах, которое, в общем, обозначено ссылочным обозначением 10. Устройство содержит в себе градиентный насос 12, который сначала закачивает растворитель, состоящий из 5 об.% воды и 95 об.% ацетонитрила, в колонку для гидрофильной хроматографии 14, находящуюся в печи 16. Устройство содержит в себе еще один градиентный насос 18, который сначала закачивает растворитель, состоящий из 5 об.% ацетонитрила и/или MeOH и 95 об.% воды, к вентилю 20.

В показанном на фиг.1 положении коммутации выход колонки 14 для гидрофильной хроматографии через вентиль 20 соединен с обогатительным устройством 22 с твердофазной экстракцией. Обогатительное устройство с твердофазной экстракцией в данном примере осуществления представляет собой короткую колонку C8. Путем добавления воды перед обогащающей колонкой с твердофазной экстракцией (не показана) повышается полярность элюата, так что концентрация пестицидов может быть повышена.

Выход обогатительного устройства с твердофазной экстракцией через следующий вентиль 24 в печи 26 ведет в камеру для образца детектора 32 жидкостной хроматографии с масс-спектрометром. В печи 26 расположена колонка 28 для высокоэффективной жидкостной хроматографии с обратной фазой (колонка C18). В показанном на фиг.1 положении коммутации поток растворителя из насоса 18 через вентиль 24 ведет к колонке 28 для высокоэффективной жидкостной хроматографии. Выход колонки 28 для высокоэффективной жидкостной хроматографии через вентиль 20 соединен с очистным сооружением 30.

На фиг.2 показано такое же устройство, как на фиг.1. Однако здесь вентили 20 и 24 включены иначе. Растворитель с помощью градиентного насоса 12 по колонке 14 для гидрофильной хроматографии подается через вентиль 20 в очистное сооружение 30. При этом колонка для гидрофильной хроматографии очищается и таким образом готовится для следующего анализа.

Растворитель с высоким содержанием воды подается с помощью градиентного насоса 18 через вентиль 24 в обогатительное устройство 22 с твердофазной экстракцией. Там он течет в обратном направлении, по сравнению с фиг.1, через обогатительное устройство 22 с твердофазной экстракцией к вентилю 20. Вентиль 20 включен таким образом, что образец с пестицидами через вентиль 20 течет для анализа в колонку 28 для высокоэффективной жидкостной хроматографии. Выход колонки 28 для высокоэффективной жидкостной хроматографии через вентиль 24 соединен с детектором 32 для жидкостной хроматографии с масс-спектрометром.

Устройство работает следующим образом.

Способ начинается с инжекции 5 мкл неочищенного раствора экстракта. В первом положении коммутации вентилей 20 и 24 растворенный в ацетонитриле и воде в объемном отношении 95:5 образец (неочищенный экстракт) с подлежащими анализу пестицидами с помощью насоса 12 подается через колонку 14 для гидрофильной хроматографии. Там от пестицидов отделяется большая часть не представляющей интереса мешающей матрицы. Матрица остается преимущественно в колонке 14 для гидрофильной хроматографии. При этом все пестициды элюируют в большинстве случаев очень быстро, примерно через 1-4 минуты. Большие части матрицы в это время находятся еще на колонке для гидрофильной хроматографии. Оставшаяся доля образца течет в обогатительное устройство 22 с твердофазной экстракцией. Там концентрируется большая часть пестицидов. Небольшая часть пестицидов, прежде всего, мелкомолекулярные полярные пестициды, не остается в обогатительном устройстве 22 с твердофазной экстракцией, а проходит в течение этого периода обогащения (Фиг.1) через обогатительное устройство 22 с твердофазной экстракцией прямо к детектору 32. Тем самым они детектируются уже в этом положении коммутации вентилей.

Примерно 4 минуты спустя матрица в достаточной степени отделена в процессе гидрофильной хроматографии от подлежащих анализу пестицидов. Затем вентили 20 и 24 переключаются, так что получается показанная на фиг.2 ситуация. В таком положении коммутации обогащенные в обогатительном устройстве с твердофазной экстракцией пестициды с помощью растворителя с высоким содержанием воды 95 об.% воды и 5 об.% ацетонитрила подаются в обратном направлении от обогатительного устройства 22 с твердофазной экстракцией к колонке 28 для высокоэффективной жидкостной хроматографии. Градиентный насос 2 элюирует компоненты из обогатительного устройства с твердофазной экстракцией по принципу противотока на аналитическую колонку для высокоэффективной жидкостной хроматографии. Там по существу освобожденные от матрицы пестициды отделяются и определяются с помощью детектора 32. Это происходит посредством градиента, который применяется для разделения на колонке 28 для высокоэффективной жидкостной хроматографии. Начиная с высокого влагосодержания, элюационная сила медленно повышается посредством увеличения содержания метанола и/или ацетонитрила. Одновременно колонка 14 для гидрофильной хроматографии регенерируется или же очищается с помощью градиентного насоса 12.

В не представленном, альтернативном примере осуществления производится газохроматографический анализ, вместо того чтобы отделенный от матрицы образец подавать на колонку для высокоэффективной жидкостной хроматографии. При этом образец из обогатительного устройства с твердофазной экстракцией сначала смывается в отдельную емкость. Подготовленный таким образом образец можно затем анализировать известным способом посредством газовой хроматографии.

Изобретение относится к устройству для подготовки образцов и анализа пестицидов в образцах посредством хроматографии. Устройство (10) для подготовки образцов и анализа пестицидов в образцах включает колонку (14) для гидрофильной хроматографии с первым насосом (12) для растворителя с преимущественно низким содержанием воды и/или неполярного растворителя. Также устройство включает обогатительное устройство (22) с твердофазной экстракцией, вторую хроматографическую колонку (28) со вторым насосом (18) для растворителя с преимущественно высоким содержанием воды и/или полярного растворителя, детектор (32). Кроме того, устройство также включает вентильный блок (20, 24) для управления потоками образца и матрицы, выполненный таким образом, что поток образца в первом положении коммутации вентильного блока является подаваемым от колонки (14) для гидрофильной хроматографии к обогатительному устройству (22) с твердофазной экстракцией, а во втором положении коммутации обогащенный в обогатительном устройстве (22) с твердофазной экстракцией образец является подаваемым в обратном направлении от обогатительного устройства (22) с твердофазной экстракцией через вторую хроматографическую колонку (28) к детектору (32). Техническим результатом является повышение достоверности результатов, снижение трудовых затрат и расходов материала. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подготовки образцов и анализа пестицидов в образцах, отличающийся шагами:
(а) введение растворенного в растворителе с преимущественно низким содержанием воды и/или неполярном растворителе образца из содержащего матрицу неочищенного раствора неочищенного экстракта в колонку (14) для гидрофильной хроматографии с растворителем с преимущественно низким содержанием воды и/или неполярным растворителем,
(б) обогащение, по меньшей мере, большей части содержащихся в образце пестицидов в обогатительном устройстве (22) с твердофазной экстракцией,
(в) подача части образца, обогащенной пестицидами в обогатительном устройстве с твердофазной экстракцией, в обратном направлении от обогатительного устройства с твердофазной экстракцией через вторую хроматографическую колонку с растворителем с преимущественно высоким содержанием воды и/или полярным растворителем посредством переключения вентильного блока после выбранной продолжительности обогащения, и
(г) детектирование разделенных во второй хроматографической колонке компонентов образца.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть потока образца, которая в течение выбранного времени обогащения протекает через обогатительное устройство (22) с твердофазной экстракцией, непосредственно детектируется.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во втором положении коммутации вентильного блока (20, 24) насос (12) регенерирует и/или очищает хроматографическую колонку (14) для гидрофильной хроматографии.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что колонка (14) для гидрофильной хроматографии в течение части времени анализа во втором положении коммутации регенерируется с помощью насоса (18) на масс-спектрометре (32), а в течение оставшейся части времени анализа посредством колонки (14) приготовляется часть образца пестицидов для газовой хроматографии.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сначала растворитель с низким содержанием воды и/или неполярный растворитель насоса (12) содержит по меньшей мере 90 об. % ацетонитрила (ACN).

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сначала растворитель с низким содержанием воды и/или неполярный растворитель насоса (12) содержит по меньшей мере 0-10 об.%, предпочтительно 5 об. % воды.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что растворитель с высоким содержанием воды и/или полярный растворитель насоса (18) содержит по меньшей мере 90 об. % воды.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что растворитель с высоким содержанием воды и/или полярный растворитель насоса (18) содержит по меньшей мере до 3-10 об. %, предпочтительно 5 об. %, ацетонитрила и/или МеОН.

9. Устройство (10) для подготовки образцов и анализа пестицидов в образцах способом по одному из предыдущих пунктов, включающее в себя:
(а) колонку (14) для гидрофильной хроматографии с первым насосом (12) для растворителя с преимущественно низким содержанием воды и/или неполярного растворителя,
(б) обогатительное устройство (22) с твердофазной экстракцией,
(в) вторую хроматографическую колонку (28) со вторым насосом (18) для растворителя с преимущественно высоким содержанием воды и/или полярного растворителя,
(г) детектор (32), и
(д) вентильный блок (20, 24) для управления потоками образца и матрицы, выполненный таким образом, что поток образца в первом положении коммутации вентильного блока является подаваемым от колонки (14) для гидрофильной хроматографии к обогатительному устройству (22) с твердофазной экстракцией, а во втором положении коммутации обогащенный в обогатительном устройстве (22) с твердофазной экстракцией образец является подаваемым в обратном направлении от обогатительного устройства (22) с твердофазной экстракцией через вторую хроматографическую колонку (28) к детектору (32).

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что вторая хроматографическая колонка (28) является колонкой для высокоэффективной жидкостной хроматографии или колонкой для газовой хроматографии.

11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что часть потока образца, которая в первом положении коммутации в течение выбранного времени обогащения протекает через обогатительное устройство (22) с твердофазной экстракцией, направляется прямо на детектор (32).

12. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что детектор (32) является масс-спектрометром.