ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ ОТРАВЛЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ВНУТРЕННЕГО СТАНДАРТА ДИАЛКИЛОВЫХ ЭФИРОВ МЕТИЛФОСФОНОВОЙ КИСЛОТЫ
GAS CHROMATOGRAPHIC METHOD FOR QUANTITATIVE DETERMNATION OF ORGANOPHOSPHORUS TOXIC SUBSTANCES USING DIALKYL ESTERS OF METHYL-PHOSPHORIC ACID AS INTERNAL STANDARD

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.
x
ст
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 (определяемый компонент) и S (внутренний стандарт), по формуле 2:
x
ст
где m и m - навески определяемого вещества и внутреннего стандарта;
x
k - 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.
-4
-5
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 10-10 мг/мл.
-2
-1
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 до 3·10 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) см<sup>3</sup>/мин.
4. Условия работы пламенно-фотометрического детектора:
температура детектора
(250.0±1.0)°С;
общий поток азота
(60,0±1.0) см<sup>3</sup>/мин;
поток воздуха
(110,0±1.0) см<sup>3</sup>/мин;
поток водорода
(150,0±1.0) см<sup>3</sup>/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<sup>-3</sup> мг/мл
-2
3
Из анализа результатов, представленных на Фиг.1 (хроматограмма смеси внутренних стандартов и ФОВ с концентрацией каждого компонента пробы 1·10 мг/см) 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<sup>-2</sup>…1×10<sup>-3</sup> 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<sup>-2</sup>…1,7×10<sup>-3</sup> мг/мл
-2
-3
Из результатов, представленных на Фиг.2 и 3, следует, что значения калибровочных коэффициентов сохраняются (в пределах погрешности измерений) в интервале концентраций ФОВ 5×10…1×10 мг/мл.
Зная калибровочные (поправочные) коэффициенты, содержание ФОВ рассчитывают по уравнению 2 [1-3]:
вн.ст
пробы
где r=m/m (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.