Способ хроматографического определения полисахаридов в водной среде

 

Изобретение относится к хроматографическому анализу углеводсодержащих полимеров в водной среде, в частности определению баразана и гуаровой смолы в опресненной питьевой воде. Сущность: пробу воды, которая содержит баразан и гуаровую смолу на уровне ПДК, упаривают под вакуумом в ротационном испарителе, полученный концентрат вводят в верхнюю часть хроматографической колонки, заполненной предварительно подготовленным сорбентом, после чего через колонку пропускают смесь дистиллированной воды и акрилонитрила в массовом соотношении 1:4, обрабатывают анализируемую пробу на сорбенте парами акрилонитрила не более 30 мин, высушивают пробу путем пропускания инертного газа при температуре 30 - 90^oC до полного выхода летучих веществ, присоединяют хроматографическую колонку к детектору по теплопроводности, вводят смесь гексана и бензола в различные зоны колонки через испаритель газового хроматографа, измеряют время удерживания гексана и бензола относительно воздуха в каждой зоне при постоянной температуре термостата, определяют объем удерживания бензола и гексана относительно воздуха при заданной скорости газа-носителя от 5 до 40 мл/мин, затем идентифицируют баразан и гуаровую смолу по отношению объемов удерживания бензола и гексана, а количество баразана и гуаровой смолы определяют по зависимости объема удерживания бензола от его массы. Технический результат: увеличение чувствительности хроматографического определения полисахаридов в водной среде на уровне ПДК для баразана и гуаровой смолы. 2 табл.

Изобретение относится к хроматографическому анализу углеводсодержащих полимеров в водной среде, в частности определению баразана и гуаровой смолы в опресненной питьевой воде.

Известен способ определения углеводов в водной среде методом жидкостной хроматографии с обращенной фазой под высоким давлением, основанный на введении в узел дозирования от 1 до 10 мкл водной пробы, разделении углеводов на колонке с обращенной неподвижной фазой при подаче подвижной фазы со скоростью 0,2 мл/мин, определении времени удерживания разделяемых компонентов и площади соответствующих хроматографических пиков с последующей обработкой экспериментальных данных для определения количества углеводов по площади пика и их идентификации по времени удерживания. Однако способ не применим для анализа в водной среде полисахаридов типа баразана или гуаровой смолы вследствие полидисперсности определяемых веществ и затруднениях при их идентификации и определении суммарного содержания олигомеров [J. Chromatogr. 1976, 112, N 1. 211-215].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения полисахаридов, основанный на их гидролизе, восстановлении альдоз до полиолов боргидридом натрия, ацилировании продуктов гидролиза в водной среде уксусным ангидридом, концентрировании продуктов ацилирования путем экстракции летучим растворителем, введении 2 мкл экстракта в испаритель, хроматографическом разделении ацилированных углеводов на неподвижной жидкой фазе, определении времен удерживания и количества полиацетатов при помощи газожидкостного хроматографа с пламенно-ионизационным детектором (ДИП).

Качественный и количественный анализ полисахаридов осуществляют по хроматограмме, а именно идентификацию полисахарида по временам удерживания ацильных производных пробы и стандартного образца, а содержание полисахаридов в пробе по градуировочному графику, построенному с использованием стандартных растворов в координатах площадь пиков в мм² от его содержания в мкг.

Концентрацию полисахаридов в водной среде рассчитывают по формуле где а - масса вещества, найденная в пробе, мкг; V₁ - общий объем раствора пробы в мл; V₂ - объем раствора пробы, используемый для анализа, мл; V - объем исследуемой пробы воды [Химия древесины, -1975. N 6 с. 22-25].

Способ характеризуется недостаточной чувствительностью, что не позволяет достоверно определять микроконцентрации баразана и гуаровой смолы на уровне предельно-допустимой концентрации (ПДК).

Задачей изобретения является увеличение чувствительности хроматографического определения полисахаридов в водной среде на уровне ПДК для баразана и гуаровой смолы.

Поставленная задача решается тем, что пробу воды, которая содержит баразан и гуаровую смолу на уровне ПДК, упаривают под вакуумом в ротационном испарителе, полученный концентрат вводят в верхнюю часть хроматографической колонки, заполненной предварительно подготовленным сорбентом, после чего через колонку пропускают смесь дистиллированной воды и акрилонитрила в массовом соотношении 1: 4, обрабатывают анализируемую пробу на сорбенте парами акрилонитрила не более 30 мин, высушивают пробу путем пропускания инертного газа при температуре 30 - 90^oC до полного выхода летучих веществ, присоединяют хроматографическую колонку к детектору по теплопроводности, вводят смесь гексана и бензола в различные зоны колонки через испаритель газового хроматографа, измеряют время удерживания гексана и бензола относительно воздуха в каждой зоне при постоянной температуре термостата, определяют объем удерживания бензола и гексана относительно воздуха при заданной скорости газа-носителя от 5 до 40 мл/мин, затем идентифицируют баразан и гуаровую смолу по отношению объемов удерживания бензола и гексана, а количество баразана и гуаровой смолы определяют по зависимости объема удерживания бензола от его массы.

Способ осуществляется следующим образом.

Пробу опресненной питьевой воды, отобранную согласно ГОСТ 2874-82 или 17.1.5.04-85, концентрируют в роторном испарителе до объема не более 10 мл. Затем переносят количественно концентрат в верхнюю часть хроматографической колонки, которая снаружи разделена на зоны равной длины, снабженные устройствами для ввода и вывода газа-носителя. Колонка заполнена сорбентом типа макропористого силикагеля, который импрегнирован (пропитан раствором и высушен) триметилдодециламмоний гидроксидом в количестве 5% от веса сорбента.

После чего пропускают для разделения полисахаридов, солей и низкомолекулярных примесей смесь дистиллированной воды и акрилонитрила в массовом отношении 1:4 со скоростью подвижной фазы 1 - 10 мл/мин обрабатывают анализируемую пробу на сорбенте насыщенными парами акрилонитрила, которые получают путем пропускания инертного газа через жидкий акрилонитрил в барботере в течение времени не более 30 мин. Затем высушивают пробу путем пропускания инертного газа со скоростью 0,5 - 10 мл/мин, при температуре 30-60^oC до полного выхода летучих веществ, присоединяют хроматографическую колонку к детектору по теплопроводности газового хроматографа и судят о прекращении выделения летучих веществ по отсутствию существенного изменения нулевой линии сигнала детектора.

Включают хроматограф ЛХМ-8-МД-5 в соответствии с инструкцией по эксплуатации и подают газ-носитель (гелий) с заданной скоростью от 5 до 40 мл/мин в газовые линии хроматографа, который снабжен детектором по теплопроводности и термостатированной при 30^oC колонкой с подачей газа-носителя последовательно в различные зоны колонки. Вводят шприцем необходимое количество модельной смеси углеводородов гексан - бензол в соотношении 1:1 (1-2 мкл) в первую зону. На полученной хроматограмме измеряют расстояния между пиком воздуха и максимумами концентрации бензола и гексана на разделенной на отдельные зоны пробе концентрата баразана и гуаровой смолы в воде с неизвестным их содержанием. После чего определяют объем удерживания бензола и гексана относительно воздуха по формуле где l - расстояние между пиком воздуха (вводом пробы) и максимумами концентрации бензола и гексана, мм; F₀ - объемный расход газа-носителя, см³/сек; ν - скорость движения диаграммной ленты, мм/сек;
j - поправка на сжимаемость газа-носителя.

Затем процесс определения параметров удерживания гексана и бензола повторяют для каждой зоны колонки, вводя периодически модельную смесь тех же углеводородов.

Для анализа качественного и количественного состава полисахаридов типа баразана и гуаровой смолы в опресненной питьевой воде проводят сравнение параметров идентификации каждой зоны аналитической колонки, с данными, которые получены при разработке способа определения полисахаридов в водной среде, а количество баразана и гуаровой смолы определяют методом добавок по величине суммарного объема удерживания бензола для соседних зон с одинаковыми параметрами идентификации
Анализ качественного состава полисахаридов баразана и гуаровой смолы в опресненной питьевой воде осуществляют по отношению объемов удерживания бензола и гексана относительно воздуха, которое равно для гуаровой смолы 37,8 ± 0,7 и для баразана 38,6 ± 0,7. Расчет количественного содержания баразана и гуаровой смолы определяют по формуле:

C_x - определяемая концентрация баразана или гуаровой смолы в пробе воды, мг/дм³;
C_ст - концентрация добавки в пробе воды из расчета добавленного количества баразана или гуаровой смолы, мг/дм³;
V_б(x) - объем удерживания бензола в зоне, которая содержит анализируемое количество баразана или гуаровой смолы в пробе воды, мл;
V_б(x+ст) - объем удерживания бензола в зоне, которая содержит суммарное количество баразана или гуаровой смолы в пробе воды и добавке, мл.

Представленная совокупность заявленных признаков обеспечивает решение задачи изобретения: пропускание смеси дистиллированной воды акрилонитрила в массовом соотношении 1:4 со скоростью подвижной фазы 1-10 мл/мин через колонку, заполненную сорбентом типа макропористого силикагеля, который импрегнирован триметилдодециламмоний гидроксидом в количестве 5% от веса сорбента, позволяет отделить низкомолекулярные примеси (фурфурол и другие производные фурана, соли, которые содержатся в опресняемой морской воде) от высокомолекулярных полисахаридов, разделить гуаровую смолу с молярной массой 60-90 тыс. , баразан с молярной массой около 6 млн. и другие полисахариды. Использование в качестве сорбента макропористого силикагеля делает возможным концентрирование в начале колонки низкомолекулярных соединений и минеральных солей, а в конце колонки полисахаридов с высокой молярной массой, присутствия как на поверхности сорбента триметилдодециламмония гидроксида позволяет разделить смесь производных полисахаридов различной полярности, а также провести цианэтилирование свободных гидроксильных групп. Использование в качестве подвижной фазы смеси дистиллированной воды и акрилонитрила в массовом соотношении 1:4 количественно превращает доступные гидроксильные группы полисахаридов в 2 цианоэтил производные.

Наличие в различных зонах цианэтилированных полисахаридов с различными параметрами удерживания смеси гексана и бензола позволяет провести идентификацию баразана и гуаровой смолы в пробе, а также полностью использует для количественного анализа всю сумму полисахаридов определенного строения.

Проведение анализа при температуре 30^oC предотвращает разложение полисахаридов и их производных при вводе их в газовый хроматограф и увеличивает достоверность качественного и количественного анализа баразана и гуаровой смолы.

Измерение объемов удерживания бензола и гексана относительно воздуха позволяет определить качественный и количественный состав баразана и гуаровой смолы в опресненной питьевой воде в присутствии низкомолекулярных примесей и солей, причем определение содержания баразана и гуаровой смолы осуществляют методом добавок, а идентификацию этих полисахаридов проводят по отношению объемов удерживания бензола и гексана относительно воздуха.

Таким образом, в результате концентрирования баразана и гуаровой смолы из пробы опресненной питьевой воды с последующим введением его в верхнюю часть хроматографической колонки, которая заполнена предварительно подготовленным сорбентом, разделения их на твердом сорбенте путем пропускания смеси дистиллированной воды и акрилонитрила в массовом соотношении 1:4, обработки концентрата пробы на сорбенте насыщенными парами акрилонитрила, которые получают путем пропускания инертного газа через жидкий акрилонитрил в барботере в течение времени не более 30 мин и высушивании его в хроматографической колонке и последовательного введения в различные зоны аналитической колонки модельной смеси гексана и бензола, с определением времен и объемов удерживания бензола и гексана по отношению к воздуху при заданной скорости газа-носителя от 5 до 40 мл/мин, можно осуществить качественный и количественный анализ баразана и гуаровой смолы в опресненной питьевой воде.

Предложенный способ хроматографического определения полисахаридов в водной среде иллюстрируется следующим примером.

Пробу опресненной питьевой воды, которая содержит заданные концентрации баразана, гуаровой смолы и других модельных продуктов биохимического распада морской среды, упаривают под вакуумом при помощи циркуляционного вакуумного испарителя типа АЦВ до объема не более 1 мл. Затем переносят количественно концентрат в верхнюю часть U-образной хроматографической колонки длиной 1 м, внутренним диаметром 3 мм. Колонку снаружи разделяют на 10 зон равной длины, которые снабжены устройством для ввода и вывода газа-носителя. Колонку заполняют макропористым силикагелем, который приготавливают из жидкого стекла по методике с использованием катионита типа вофатита 200 с размером частиц 0,3-1,0 мм. Полученный золь кремниевой кислоты содержит менее 0,05% ионов натрия, аммония, сульфата и хлоридов. Золь переводят в гель при помощи гидрокарбоната аммония и охлаждают, после чего гель созревает в течение суток. Затем его измельчают, сушат при 120^oC, размалывают и фракционируют седиментацией по способу Питры. Синтетический триметилдодециламмоний гидроксид при перемешивании смешивают с дистиллированной водой, после чего добавляют расчетное количество макропористого силикагеля (5% триметилдодециламмоний гидроксида от веса макропористого силикагеля). Суспензию упаривают в роторном испарителе при пониженном давлении и сушат не менее 12 часов под вакуумом до постоянной массы. Через заполненную колонку, в верхней части которой находится концентрат водной пробы, пропускают смесь дистиллированной воды и акрилонитрила в массовом соотношении 1:4, со скоростью подвижной фазы 1-10 мл/мин в течение времени, необходимого для разделения полисахаридов, солей и низкомолекулярных примесей, которое определяют экспериментально по проскоку баразана.

Затем обрабатывают анализируемую пробу на сорбенте насыщенными парами акрилонитрила, которые получают путем пропускания инертного газа со скоростью 10-50 мл/мин через барботер с пористой стеклянной пластины типа ПП по ТУ 25-11-1136-75.

Высушивают пробу путем пропускания инертного газа при температуре 30-90^oC до полного выхода летучих веществ, в конце процесса сушки присоединяют хроматографическую колонку к детектору по теплопроводности газового хроматографа. Включают хроматограф ЛХМ-8-МД-5 в соответствии с инструкцией по эксплуатации и судят о прекращении выделения летучих веществ по отсутствию существенного изменения нулевой линии сигнала детектора. В колонку подают гелий с заданной скоростью от 5 до 40 мл/мин и температуре термостата 30^oC. Вводят шприцем 1-2 мкл смеси гексана и бензола в соотношении 1:1 в первую зону колонки. На полученной хроматограмме измеряют расстояния между пиком воздуха и максимумами концентрации бензола и гексана. После чего определяют объем удерживания бензола и гексана относительно воздуха по вышеприведенной формуле, который составил 10,9 мл для бензола, 0,40 мл для гексана, а отношение объемов удерживания бензола и гексана равно 27,2.

Затем в испаритель хроматографа таким же образом вводят смесь гексана и бензола, которая последовательно поступает в другие зоны колонки, измеряют время удерживания этих углеводородов при той же температуре в каждой зоне, определяют объемы удерживания бензола и гексана при заданной скорости, которые составили для второй зоны 8,1 мл для бензола, 0,5 мл для гексана, а отношение объемов удерживания бензола и гексана равно 16,2.

Для седьмой и восьмой зоны суммарный объем удерживания для бензола составил 9,90 мл, для гексана - 0,26 мл, а отношение объемов удерживания бензола и гексана равно 38. Для девятой и десятой зоны суммарный объем удерживания для бензола составил 5,80 мл, для гексана - 1,5 мл, а отношение объемов удерживания бензола и гексана равно 38,6.

Затем идентифицируют баразан и гуаровую смолу по отношению удерживаемых объемов бензола и гексана, которое для гуаровой смолы равно 37,8 ± 0,3, для баразана 38,6 ± 03. По параметрам идентификации было установлено, что в первой зоне находится 2-метилол-1,4-диоксан, а во второй зоне цианэтильное производное тетрагидрофурфурилового спирта, которые равны соответственно 27,3 ± 0,3 и 16,3 ± 0,2. Расчет количественного содержания баразана и гуаровой смолы определяют по вышеприведенной формуле метода добавок по величине суммарного объема удерживания бензола для соседних зон с одинаковыми параметрами идентификации, содержание гуаровой смолы в пробе составило 19,9 ± 0,2 мг, а баразана - 20,1 ± 0,3 мг.

Концентрацию баразана и гуаровой смолы в опресненной питьевой воде рассчитывают по формуле

где a - масса вещества, найденная в пробе, мг;
V - объем исследуемой пробы воды, л.

Для пробы опресненной питьевой воды объемом 5 л концентрация гуаровой смолы, рассчитанная по вышеприведенной формуле составила 3,98 ± 0,40, концентрация баразана - 4,02 ± 0,40.

Результаты определения смеси баразана и гуаровой смолы в опресненной питьевой воде представлены в таблице 1.

Положительный эффект от предложенного способа хроматографического определения полисахаридов в водной среде заключается в увеличении чувствительности определения микроконцентраций баразана и гуаровой смолы в опресненной питьевой воде и уменьшения искажения состава пробы, связанного с использованием для хроматографического анализа лишь части концентрата пробы.

Как следует из данных, приведенных в таблице 2, чувствительность определения микроконцентраций баразана и гуаровой смолы в опресненной питьевой воде в заявленном способе значительно выше по сравнению с прототипом вследствие полного использования для анализа всей суммы олигомеров полисахаридов и отсутствие термоокислительного разложения сконцентрированной пробы при вводе в испаритель газового хроматографа.

Формула изобретения

Способ определения полисахаридов в водной среде при подготовке пробы концентрированием, отличающийся тем, что подготовленную пробу воды, содержащую баразан и гуаровую смолу, вводят в верхнюю часть хроматографической колонки, заполненной предварительно подготовленным для разделения сорбентом, после чего через колонку пропускают смесь дистиллированной воды и акрилонитрила в массовом соотношении 1 : 4, обрабатывают анализируемую пробу на сорбенте парами акрилонитрила не более 30 мин, высушивают пробу путем пропускания инертного газа при температуре 30 - 90^oC до полного выхода летучих веществ, присоединяют хроматографическую колонку к детектору по теплопроводности, вводят смесь гексана и бензола в различные зоны колонки через испаритель газового хроматографа, измеряют время удерживания гексана и бензола относительно воздуха в каждой зоне при постоянной температуре термостата, определяют объем удерживания бензола и гексана относительно воздуха при заданной скорости газа-носителя от 5 до 40 мл/мин, затем идентифицируют баразан и гуаровую смолу по отношению объемов удерживания бензола и гексана, а количество баразана и гуаровой смолы определяют по зависимости объема удерживания бензола от его массы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2