Газохроматографический способ количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ с использованием в качестве внутреннего стандарта диалкиловых эфиров метилфосфоновой кислоты
Владельцы патента RU 2408010:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский военный институт биологической и химической безопасности Министерства обороны Российской Федерации (СВИ БХБ) (RU)
Изобретение относится к исследованию или анализу небиологических материалов химическими способами, конкретно к количественному определению фосфорорганических отравляющих веществ. Газохроматографический способ количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ зарин, зоман, Ви-икс, заключается в том, что для количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ используют метод внутреннего стандарта. При этом в качестве внутреннего стандарта используют Государственные стандартные образцы диалкиловых эфиров метилфосфоновой кислоты. Кроме того, в газохроматографическом способе количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ применяют пламенно-фотометрический детектор по каналу фосфора при длине волны λ=525 нм. Техническим результатом изобретения является количественное определение в рамках единства измерений с достаточной достоверностью и точностью получаемых результатов. 1 з.п. ф-лы, 5 табл., 3 ил.
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.
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 Sx (определяемый компонент) и Sст (внутренний стандарт), по формуле 2:
где mx и mст - навески определяемого вещества и внутреннего стандарта;
kx - 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.
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 10-4-10-5 мг/мл.
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 2·10-2 до 3·10-1 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) см3/мин. |
4. Условия работы пламенно-фотометрического детектора:
| температура детектора | (250.0±1.0)°С; |
| общий поток азота | (60,0±1.0) см3/мин; |
| поток воздуха | (110,0±1.0) см3/мин; |
| поток водорода | (150,0±1.0) см3/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 1,7·10-3 мг/мл |
Из анализа результатов, представленных на Фиг.1 (хроматограмма смеси внутренних стандартов и ФОВ с концентрацией каждого компонента пробы 1·10-2 мг/см3) 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 5×10-2…1×10-3 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 5×10-2…1,7×10-3 мг/мл |
Из результатов, представленных на Фиг.2 и 3, следует, что значения калибровочных коэффициентов сохраняются (в пределах погрешности измерений) в интервале концентраций ФОВ 5×10-2…1×10-3 мг/мл.
Зная калибровочные (поправочные) коэффициенты, содержание ФОВ рассчитывают по уравнению 2 [1-3]:
где r=mвн.ст/mпробы (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.
1. Газохроматографический способ количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ - зарин, зоман, Ви-икс, заключающийся в том, что для их количественного определения используют метод внутреннего стандарта, при этом в качестве внутреннего стандарта используют Государственные стандартные образцы состава диалкиловых эфиров метилфосфоновой кислоты и применяют пламенно-фотометрический детектор по каналу фосфора при длине волны λ=525 нм.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве внутреннего стандарта используют Государственные стандартные образцы состава или O-метиловый-O'-изобутиловый эфир метилофосфоновой кислоты, или O,O'-диизопропиловый эфир метилофосфоновой кислоты, или O,O'-диизобутиловый эфир метилофосфоновой кислоты.
