Способ определения концентрации стирола в атмосферном воздухе методом высокоэффективной жидкостной хроматографии

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано предприятиями и организациями, осуществляющими контроль качества атмосферного воздуха, при измерении содержания стирола в воздухе помещений и атмосферном воздухе.

Актуальность определения стирола в воздухе связана с увеличением поступления стирола в атмосферу с выбросами предприятий органического синтеза и выхлопных газов автотранспорта, выделением из стиролсодержащих полимерных строительных и отделочных материалов, используемых в жилых помещениях. Стирол обладает общетоксическим, раздражающим, генотоксическим, слабым наркотическим действиями, влияет на кроветворные органы, вызывает поражение печени.

Учитывая физико-химические свойства стирола, а именно способность легко полимеризоваться, особенно при нагревании, для определения стирола в различных средах рекомендуется использовать метод высокоэффективной жидкостной хроматографии, обеспечивающий проведение анализа в условиях низкотемпературного режима. В связи с этим актуальной задачей является разработка чувствительного и селективного способа определения стирола в воздухе с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Известные способы определения стирола в атмосферном воздухе чаще всего относятся к методу газовой хроматографии и обеспечивают чувствительность определения стирола на уровне 0,5 среднесуточной предельно-допустимой концентрации (далее - ПДК) в атмосферном воздухе (ПДКс.с.=0,002 мг/м³), в то время как реальные концентрации стирола в атмосферном воздухе, даже которые на порядок ниже существующих гигиенических нормативов, но в условиях хронического воздействия, представляют потенциальный риск здоровью человека.

В известных газохроматографических способах разделение стирола и сопутствующих компонентов осуществляется на набивных или капиллярных колонках при повышенной температуре, а регистрация - на пламенно-ионизационном детекторе. Концентрирование стирола из воздуха проводят на сорбционные трубки с сорбентом Тенакс, а извлечение с сорбента - термической десорбцией.

Из уровня техники известны следующие конкретные способы определения стирола в воздухе:

- МУК 4.1.598-96 «Методические указания по газохроматографическому определению ароматических, серосодержащих, галогенсодержащих веществ, метанола, ацетона и ацетонитрила в атмосферном воздухе». М., Утв. 31.10.96 г. Концентрирование стирола из воздуха осуществляют на твердый сорбент Тенакс CG. Термодесорбцию проводят в испарителе прибора. Для определения концентрации стирола используют пламенно-ионизационный детектор. Температура термостата колонки программируется от 50°С до 250°С со скоростью 5°С/мин. Диапазон измеряемых концентраций составляет 0,001-0,05 мг/м³ (далее - метод 1);

- МУК 4.1.662-97 «Методические указания по определению массовой концентрации стирола в атмосферном воздухе методом газовой хроматографии». М., Минздрав России, 1997 г. - С. 421-429. Известная методика основана на извлечении стирола из воздуха на полимерный сорбент Тенакс GC и анализе после термической десорбции на газовом хроматографе с детектором ионизации в пламени в режиме программирования температуры колонки от 70 до 100°С (при этом температура кипения стирола 146°С). Отбор проб воздуха проводится со скоростью 0,1 дм³/мин в течение 4 ч (объем пробы 24 дм³). Нижний предел обнаружения стирола в воздухе 0,001 мг/м³ (далее - метод 2);

- МУК 4.1.618-96 «Методические указания по хромато-масс-спектрометрическому определению летучих органических веществ в атмосферном воздухе». М., Минздрав России, 1997 г. Измерение стирола и других летучих соединений основано на концентрировании веществ из воздуха на твердый полимерный сорбент Тенакс GC со скоростью 0,2 дм³/мин в течение 30 мин, термической десорбции, криогенном фокусировании в капилляре, газохроматографическом разделении на стеклянной капиллярной колонке в условиях программирования температуры до 240°С с идентификацией по масс-спектрам. Диапазон измеряемых концентраций 0,001-0,2 мг/м³ (далее - метод 3);

- ПНД Ф (природоохранный нормативный документ федерального уровня) 13.1:2:3.25-99 «Методика выполнения измерений массовых концентраций предельных углеводородов С₁-С₁₀ (суммарно, в пересчете на углерод), непредельных углеводородов С₂-С₅ (суммарно, в пересчете на углерод) и ароматических углеводородов (бензола, толуола, этилбензола, ксилолов, стирола) при их совместном присутствии в атмосферном воздухе, воздухе рабочей зоны и промышленных выбросах методом газовой хроматографии». М., 1999 г. Определение стирола в этом известном способе основано на газохроматографическом разделении компонентов пробы на насадочной колонке, заполненной 10% нитрилотрипропионитрила на цветохроме 3К, с последующей их регистрацией пламенно-ионизационным детектором. Температура термостата колонок 90°С, температура детектора 100°С. Отбор проб проводится на патрон с твердым сорбентом, для ввода пробы в хроматограф используют кран-дозатор. Диапазон измеряемых концентраций 0,2-1000 мг/м³ (далее - метод 4);

- МУК 4.1.2594-10 «Методические указания по определению стирола, фенола и нафталина в воздухе методом хромато-масс-спектрометрии». М., Утв. 26.03.2010 г. Известный способ основан на концентрировании анализируемых веществ из воздуха на комбинированный сорбент Тенакс ТА и Carbograph 1TD (1:1) с последующей термодесорбцией, газохроматографическим разделением на кварцевой капиллярной колонке, идентификацией по масс-спектрам и количественном определении по характеристическим молекулярным ионам. Температура колонки программируется от 45°С до 325°С. Относительная погрешность определения не превышает 22%, а диапазон измеряемых концентраций составляет 0,001-0,05 мг/м³ (далее - метод 5).

Недостатками указанных известных методов являются длительный отбор проб воздуха (метод 2), недостаточная чувствительность (метод 4), частичная полимеризация стирола в процессе температурной десорбции, о чем говорится в таком источнике информации, как: Choi К.К., Fung K.W. Determination of styrene in the atmosphere near industrial sites by gas chromatography // Analyst, 1979, 104, p. 455-457; и анализа на колонке при высоких температурах (Зайцева Н.В., Уланова Т.С., Карнажицкая Т.Д., Теплоухова Н.В. Определение стирола в крови методом высокоэффективной жидкостной хроматографии // Гигиена и санитария, М., 2005. - №4. - С. 58-61) (методы 1-5).

Также известен способ определения содержания стирола в воздухе методом тонкослойной хроматографии (Осокина С.К., Маркина Н.А. Определение стирола в воздухе методом тонкослойной хроматографии с количественной оценкой по спектрам отражения // Гигиена и санитария, М., 1977. - №10. - С. 57-59). Метод основан на поглощении стирола из воздуха в раствор уксуснокислой ртути в этиловом спирте, переводе стирола в нелетучее ртутьорганическое соединение при взаимодействии с ацетатом ртути, разделении методом тонкослойной хроматографии на пластинке «Силуфол» в смеси растворителей, об.ч.: хлороформ:гексан:этанол в соотношении 40:15:5 и количественном определении, путем измерения интенсивности окраски зон проявления стирола непосредственно на хроматограмме методом прямой фотометрии по спектрам отражения.

Недостатком этого известного способа является то, что:

- тонкослойная хроматография относится к полуколичественным методам анализа;

- в процессе отбора проб воздуха в раствор уксуснокислой ртути в этиловом спирте не исключена возможность «проскока», что вносит вклад в общую погрешность измерений стирола в воздухе;

- чувствительность метода не позволяет определять содержание стирола в воздухе на уровне реальных концентраций.

Из патентной литературы также известны два способа определения концентрации стирола в воздухе (Авт. св. СССР №99100 и №1109629). В первом способе пары стирола поглощаются раствором азотнокислого аммония в серной кислоте, в результате чего образуется окрашенное нитропроизводное стирола (нитростирол), определяемое по стандартной шкале колориметрически после нейтрализации отобранной пробы водным раствором аммиака. Чувствительность способа по стиролу равна 0,025 мг в колориметрированном объеме.

Во втором способе пропускают воздух через пробоотборную трубку с силикагелем и производят экстракцию растворителем, в качестве которого используют воду с растворенными в ней полиоксиэтилированными алкилфенолами, взятыми в массовом соотношении со стиролом 1:5-100. Далее проводят газохроматографическое определение на пламенно-ионизационном детекторе. Чувствительность способа по стиролу равна 1 мг/м³ пропущенного воздуха.

Недостатками указанных способов по указанным изобретениям является их низкая чувствительность.

Наиболее близким к изобретению является способ, описанный на сайте интернета http://fcrisk.ru/sites/default/files/upload /conference/805/conf_6-10.10.2014_materials.pdf: «Результаты анализа атмосферного воздуха методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с флуориметрическим детектированием», авторы: Т.С. Уланова, Т.Д. Карнажицкая, Э.А. Нахиева, М.Д. Копылова. Материалы Всероссийской научно-практической интернет-конференции молодых ученых и специалистов Роспотребнадзора 6-10 октября 2014 г., организованной ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения».

Согласно этому известному способу производят отбор пробы атмосферного воздуха путем пропускания его через сорбционную трубку с твердым полимерным сорбентом «Тенакс» со скоростью 0,2 дм³/мин. Фиксируют температуру воздуха и атмосферное давление при этом. Извлечение стирола с сорбента выполняют чистым ацетонитрилом, производят анализ полученного экстракта на жидкостном хроматографе с флуориметрическим детектором, используя подвижную фазу, и определяют концентрации стирола в воздухе с использованием градуировочного графика с учетом приведения объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям. Средняя полнота извлечения с сорбента - 95%. Определению не мешают ароматические соединения (бензол, толуол, этилбензол, о,м,п-ксилолы, о,м,п-крезолы, фенол). Диапазон измеряемых концентраций стирола в воздухе составляет 0,00002-0,002 мг/м³.

Недостатком указанного способа является недостаточная чувствительность.

Техническая задача, решаемая предлагаемым вариантом, заключается в обеспечении возможности определения стирола в атмосферном воздухе на более низком уровне, соответствующем реальному содержанию стирола в атмосферном воздухе (микрограммовые количества).

Технический результат заключается в повышении чувствительности и селективности способа при обеспечении снижения предела обнаружения стирола до 0,000015 мг/м³ и эффективного концентрирования из воздуха.

Поставленный технический результат достигается предлагаемым способом определения концентрации стирола в атмосферном воздухе методом высокоэффективной жидкостной хроматографии, включающим отбор пробы атмосферного воздуха путем пропускания его через сорбционную трубку с твердым полимерным сорбентом «Тенакс», при этом фиксирование температуры воздуха и атмосферного давления, извлечение стирола с сорбента ацетонитрилом, анализ полученного экстракта на жидкостном хроматографе с флуориметрическим детектором, используя подвижную фазу, и определение концентрации стирола в воздухе с использованием градуировочного графика с учетом приведения объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям, при этом новым является то, что отбор пробы атмосферного воздуха производят со скоростью 0,3 л/мин в течение 30 мин, а извлечение стирола с сорбента ацетонитрилом производят путем пропускания последнего в объеме 3 мл через сорбционную трубку, последующего отбора первой порции в объеме 1 мл и ее упаривания до 0,5 мл, анализ полученного экстракта на жидкостном хроматографе с флуориметрическим детектором производят, используя в качестве подвижной фазы смесь воды и ацетонитрила в начальном соотношении 40:60 об. % соответственно, при их изменяющемся соотношении в течение 1 мин в период пропускания подвижной фазы через колонку с 4,5 мин по 5,5 мин до 100 об. % ацетонитрила и до 0 об. % воды, с дальнейшим пропусканием такой подвижной фазы еще в течение 1 мин, с последующим снижением в подвижной фазе объемного количества ацетонитрила до 60 об. % и повышением до 40 об. % воды за 0,5 мин, и пропусканием такой подвижной фазы через колонку еще в течение 4 мин, при этом вышеуказанные действия проводят с холостой пробой без пробы воздуха, при этом истинную концентрацию стирола устанавливают по разности данных, полученных для пробы воздуха и холостой пробы.

Анализ сконцентрированной пробы проводят на жидкостном хроматографе «Agilent 1200» с флуориметрическим детектором при длине волны возбуждения 246 нм и длине волны эмиссии 314 нм, при температуре колонки +27°С, при скорости движения подвижной фазы 0,6 см³/мин.

Указанный технический результат достигается за счет следующего. В основе предлагаемого способа лежит способность стирола к флуоресценции, интенсивность которой можно измерить с помощью флуориметрического детектора. Принцип работы флуориметрического детектора основан на измерении флуоресцентного излучения поглощенного света. Поглощение проводится в УФ-области спектра при длине волны максимального поглощения для конкретного вещества, а излучение измеряется на выходе фильтра, не пропускающего лучи возбуждения. В связи с тем, что детектирование ведется от нулевой интенсивности флуоресценции, данный тип детектора более чувствителен по сравнению с детекторами поглощения.

Определение стирола в атмосферном воздухе на уровне низких микрограммовых количеств стало возможным благодаря тому, что:

- отбор пробы атмосферного воздуха производят при строго определенной скорости 0,3 л/мин в течение 30 мин (более высокая скорость отбора нежелательна из-за высокого сопротивления слоя сорбента (в сорбционную трубку помещают 0,33 г сорбента Тенакс), а уменьшение слоя сорбента приводит к снижению сорбционной емкости пробоотборной трубки и, как следствие, к возникновению проскока), а также применяют в последующем определенный порядок извлечения стирола с сорбента ацетонитрилом, путем пропускания последнего в объеме 3 мл через сорбционную трубку, последующего отбора первой порции в объеме 1 мл (в результате чего степень десорбции возрастает до 98%) и ее упаривания до 0,5 мл;

- причем вышеуказанную подготовку отобранной пробы к анализу проводят путем ее перевода в жидкую фазу элюированием из сорбционной трубки (длиной 115 мм и внутренним диаметром 4 мм), заполненной сорбентом «Тенакс-ТА» (могут использоваться и другие сорбенты этого типа «Тенакс», например «Тенакс-GR»)

- в предлагаемом способе рекомендованы оптимальные условия анализа стирола, переведенного в ацетонитрил, на жидкостном хроматографе с флуориметрическим детектором (далее - ФЛД). Максимальное возбуждение наблюдается при длине волны 246 нм, максимум эмиссии при длине волны 314 нм. Исследование аналита на жидкостном хроматографе «Agilent 1200» при этих условиях, а также при температуре колонки 27°С, обуславливает достижение максимального сигнала флуориметрического детектора, что влияет на чувствительность и точность определения.

Анализ пробы методом жидкостной хроматографии с заявляемыми режимами, а именно: используя в качестве подвижной фазы смесь растворов ацетонитрила и воды в начальном соотношении 60:40 об. % соответственно, при их последующем изменяющемся соотношении от 60 об. % ацетонитрила и 40 об. % воды до 100 об. % ацетонитрила и 0 об. % воды в период от 4,5 мин по 5,5 мин, и пропусканием такой подвижной фазы через колонку с обращенной фазой в течение 1 мин, с последующим снижением объемного количества ацетонитрила до 60% за 0,5 мин и пропусканием такой подвижной фазы через колонку в течение 4 мин, соответствует оптимизации элюирования, а значит, обеспечивает высокую чувствительность способа. Изменение объемного соотношения ацетонитрила и воды в подвижной фазе осуществляется за счет работы 2-канального (или более) градиентного насоса жидкостного хроматографа «Agilent 1200», смешивающего 2 компонента подвижной фазы.

Скорость потока подвижной фазы 0,6 мл/мин является оптимальной при проведении исследований.

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 отборе и пробоподготовке.

Предлагаемый способ был опробован в лабораторных условиях. Для его реализации были использованы следующие вещества и оборудование:

- аттестованный раствор АР №9-96 (стандартный образец состава раствора стирола: стирол в этаноле (1 мг/см³));

- дистиллированная вода, ТУ 6-09-2502-77;

- ацетонитрил «для жидкостной хроматографии», ос.ч. ТУ 6-09-14-2167-84;

- сорбент «Тенакс ТА» с размером частиц от 0,18 до 0,25 мм (от 60 до 80 меш);

- азот газообразный, ГОСТ 9293-74;

- жидкостный хроматограф «Agilent 1200», оснащенный термостатом колонок, устройством для дегазации элюента, градиентным насосом, флуориметрическим детектором, устройством ввода пробы;

- аспиратор для отбора проб воздуха;

- термодесорбер;

- сорбционные трубки стеклянные длиной 115 мм и внутренним диаметром 4 мм, в которые помещается сорбент;

- виалы вместимостью 2 мл.

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. Исходный раствор стирола для градуировки. В мерную колбу вместимостью 100 см³ вносят 0,1 см³ аттестованного раствора стирола с концентрацией 1 мг/см³ и доводят ацетонитрилом до метки. Массовая концентрация стирола в исходном растворе составляет 1 мкг/см³. Срок хранения раствора 4 месяца в холодильнике.

2. Рабочий раствор стирола для градуировки (раствор А). В мерную колбу вместимостью 50 см³ вносят 10 см³ исходного раствора стирола для градуировки и доводят ацетонитрилом до метки. Концентрация стирола в разбавленном растворе составляет 0,2 мкг/см³. Используют свежеприготовленный раствор.

3. Рабочий раствор стирола для градуировки (раствор Б). В мерную колбу вместимостью 50 см³ вносят 1 см³ исходного раствора №1 и доводят ацетонитрилом до метки. Концентрация стирола в разбавленном растворе составляет 0,02 мкг/см³. Используют свежеприготовленный раствор.

4. Раствор для идентификации стирола. В мерную колбу вместимостью 50 см³ вносят 0,1 см³ исходного раствора №1 и доводят ацетонитрилом до метки. Концентрация стирола в разбавленном растворе составляет 0,002 мкг/см³. Используют свежеприготовленный раствор.

5. Элюент (подвижная фаза) для хроматографии. Смесь ацетонитрила с дистиллированной водой в соотношении 60:40 об. % соответственно. Состав элюента в градиентном режиме задают на двух каналах насоса.

6. Подготовка сорбционных трубок для отбора проб воздуха. Сорбционные стеклянные трубки, заполненные сорбентом «Тенакс ТА», укрепленные с обоих концов нитью из стекловолокна и металлическими упорами для предотвращения высыпания сорбента во время отбора и анализа проб, промывают 3 см³ ацетонитрила. Высушивают трубки в токе азота со скоростью 100 см³/мин при комнатной температуре до полного высушивания сорбента (около 10 мин). После высушивания сорбционные трубки закрывают с обоих концов фторопластовыми заглушками и хранят в эксикаторе до отбора проб.

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 жидкостного хроматографа.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

- отбор пробы атмосферного воздуха в объеме 9 дм производят путем протягивания исследуемого воздуха через сорбционную трубку, например, длиной 115 мм и внутренним диаметром 4 мм, заполненную сорбентом «Тенакс ТА», со скоростью 0,3 л/мин в течение 30 мин;

- при этом фиксируют температуру воздуха и атмосферное давление на момент отбора пробы, учитывая, что в дальнейшем, при установлении концентрации стирола, производят приведение объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям;

- после вышеуказанного отбора сорбционную трубку с отобранной пробой помещают в пробирку с меткой 1 см³ экспонированным концом вниз. Извлекают пробу с сорбента путем пропускания через трубку 3 см³ ацетонитрила небольшими порциями, собирают первую порцию в объеме 1 см³, потом его упаривают до объема 0,5 см³ и переносят эти 0,5 см³ в виалу вместимостью 2 мл. На этом закончен цикл пробоподготовки.

Одновременно с анализируемыми пробами готовят холостую пробу, пропуская через подготовленную к отбору трубку с указанным сорбентом из той же партии, что и отобранные пробы, 3 см³ ацетонитрила небольшими порциями, собирают первую порцию 1 см³ и потом ее упаривают до объема 0,5 см³.

- подготовленные пробы направляют на измерение на жидкостном хроматографе «Agilent 1200» при следующих условиях:

- колонка металлическая, внутренний диаметр 4,6 мм, длина 150 мм, заполненная сорбентом Eclipse XDB-C₁₈;

- подвижная фаза - смесь ацетонитрила и воды в начальном соотношении 60:40 об. % соответственно;

- градиент элюирования: переход от 60 об. % ацетонитрила и 40 об. % воды до 100 об. % ацетонитрила и 0 об. % воды в период от 4,5 мин до 5,5 мин, пропускание такой подвижной фазы через колонку в течение 1 мин, с последующим снижением за 0,5 мин объемного количества ацетонитрила до 60 об. % и пропускание такой подвижной фазы через колонку в течение 4 мин; скорость движения элюента 0,6 см³/мин; температура термостата колонки 27°С;

флуориметрический детектор: длина волны возбуждения 246 нм, длина волны эмиссии 314 нм, время удерживания стирола 3,8±0,04 мин.

Концентрацию стирола определяют с использованием градуировочного графика с учетом приведения объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям.

Результат определения стирола в атмосферном воздухе представляется как среднее из двух параллельных измерений анализируемого раствора.

Массовую концентрацию стирола в атмосферном воздухе (мг/м³) вычисляют по формуле

где X - массовая концентрация стирола в атмосферном воздухе, мг/м³;

С - массовая концентрация стирола в анализируемом растворе, рассчитанная по градуировочной характеристике, мкг/см³;

С_хол - массовая концентрация стирола в холостой пробе, рассчитанная по градуировочной характеристике, мкг/см³;

V₁ - объем экстракта стирола после десорбции, см³;

V₀ - объем воздуха, отобранный для анализа и приведенный к нормальным условиям, дм³;

где V - объем отобранной пробы, дм³;

Р - атмосферное давление при отборе пробы воздуха, мм рт. ст.;

t - температура воздуха в момент отбора, °С.

Полученные результаты измерений стирола предлагаемым способом приведены в таблице 2 (по этим результатам определений рассчитывают показатели повторяемости и воспроизводимости результатов). Одновременно по результатам определений (Х_n), приведенным в данной таблице 2, можно судить о чувствительности метода.

Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что реальные концентрации стирола в атмосферном воздухе на условно «чистой» территории обнаруживаются даже на уровне 0,000015-0,000020 мг/м³.

Для определения относительной погрешности предлагаемого способа использовали способ «введено-найдено». При этом проводят анализ проб с добавлением в них определенного количества анализируемого компонента (добавка составляет 100% от концентрации в рабочей пробе), в данном случае стирола, для выяснения правильности и точности анализа (относительная погрешность). Полученные результаты измерений стирола в подготовленной пробе с его добавкой приведены в таблице 3.

В данном примере (таблица 3) величина добавки (концентрация С) стирола составляла С=0,000018 мкг/см³, среднее обнаруженное значение внесенной добавки составило 0,000017 ± мкг/см³.

В ходе лабораторных испытаний предлагаемого способа были также установлены следующие данные: диапазон измерений стирола в атмосферном воздухе, значения показателей точности, повторяемости, внутрилабораторной прецизионности, воспроизводимости предлагаемого способа. Данные приведены в таблице 4.

Приведенные в таблице 4 данные, показывают, что предлагаемый способ позволяет с высокой степенью точности (23%) и достоверности определять в атмосферном воздухе стирол в диапазоне концентраций 0,000015-0,002 мг/м³. Чувствительность способа позволяет обнаружить низкие концентрации стирола в атмосферном воздухе, в том числе на уровне микрограммовых количеств. 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 (9 дм³, отобранного воздуха, элюирование ацетонитрилом), содержание стирола в атмосферном воздухе составит 0,000015 - мг/м³.