Способ определения массовых концентраций примесей в атмосферном воздухе при помощи масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой

Изобретение относится к области аналитической химии. Раскрыт способ определения массовых концентраций примесей в атмосферном воздухе при помощи масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, характеризующийся тем, что отбор проб атмосферного воздуха проводится путем протягивания исследуемого воздуха через фильтр, после отбора фильтр подвергают разложению методом микроволновой пробоподготовки, полученный минерализат переносят в полипропиленовую пробирку, где производят разведение пробы деионизированной водой, готовую пробу переносят в виалу и помещают в автосэмплер масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой и проводят измерение, концентрации элементов рассчитывают методом градуировочного графика с учетом приведения объема отобранного воздуха к нормальным условиям. При этом в качестве фильтра используется аналитический фильтр из смешанных эфиров целлюлозы, протяжку воздуха осуществляют в течение 20-30 мин с объемным расходом 20 дм³/мин, по окончании процесса стакан с минерализованной матрицей помещают в чистое помещение, свободное от частиц определяемых элементов, где открывают стакан и выдерживают до прекращения выделения окислов азота, проводят разведение пробы деионизированной водой I класса чистоты до объема 50 см³, где определяемые примеси включают свинец, кадмий, железо, никель, алюминий, сурьму, кобальт, медь, магний, марганец и хром. Изобретение обеспечивает увеличение количества определяемых химических элементов в воздушной среде, снижение пределов обнаружения и повышение точности определения примесей. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

 

Способ относится к области аналитической химии и может быть использован в области экологии и охраны окружающей среды, лабораториями учреждений государственной санитарно-эпидемиологической службы, промышленными предприятиями для контроля выбросов поллютантов, научно-исследовательскими институтами, работающими в области гигиены окружающей среды в целях контроля за качеством атмосферного воздуха в городах и промышленных центрах. Способ предназначен для измерения массовых концентраций 11 элементов в атмосферном воздухе: свинца, кадмия, железа, никеля, алюминия, сурьмы, кобальта, меди, магния, марганца, хрома.

Круг выбранных аналитов формируется из металлов и металлоидов, определенных из статистических данных как наиболее часто встречающиеся в вредных выбросах в крупных городах с развитой промышленностью.

Известен способ определения концентрации редкоземельных элементов: лантана, церия, празеодима, неодима, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, тулия, иттербия, лютеция и иттрия, в воздухе рабочей зоны методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (RU №2697479, приоритет 24.12.2018), согласно которому определение редкоземельных элементов методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой осуществляется после протягивания воздуха через аэрозольный фильтр АФА-ХА с заданными параметрами отбора, с последующим разложением в пробирном нагревателе.

Недостатками способа при использовании данного метода для определения элементов с высоким кларковым числом является следующее:

- фильтры АФА-ХА не только имеют высокие фоновые содержания определяемых элементов, но и большие значения разброса их содержаний даже в пределах одной партии, что вносит большой вклад в погрешность определения большинства металлов, особенно на уровнях, требуемых для нормирования атмосферного воздуха;

- использование при разложении пробирочных нагревателей, приводит к тому, что процесс минерализации проходит под воздействием только одного фактора - температуры, в то время как в закрытом сосуде полноту разложения матрицы обеспечивает еще и повышенное давление.

- при использовании пробирочного нагревателя требуются большие затраты времени (3 часа)

Известен способ определения содержания металлов и металлоидов в твердых частицах аэрозоля методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой ГОСТ Ρ ИСО 30011-2017. Воздух рабочей зоны. Определение содержания металлов и металлоидов в твердых частицах аэрозоля методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Метод содержит общие указания по определению металлов и металлоидов воздухе рабочей зоны методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. При этом, конкретных указаний ни по методике отбора проб, ни по методике пробоподготовки документ не дает, описаны лишь рекомендации по выбору того или иного способа.

Явным недостатком является отсутствие метрологических параметров и пределов обнаружения элементов, на которые данный документ распространяется (даны лишь общие рекомендации).

Наиболее близким по технической сущности является способ определения концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (варианты), патент RU №2466096, приоритет от 08.04.2011. Способ заключается в определения концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, характеризующийся тем, что производят отбор пробы атмосферного воздуха путем протягивания исследуемого воздуха через аналитический аэрозольный фильтр со скоростью 50 л/мин в течение 20 мин и фиксируют температуру воздуха и атмосферное давление на момент отбора пробы. При предложенных способах температурного разложения используется фильтры АФА-ХА в качестве аналитического аэрозольного фильтра. После отбора фильтр подвергают разложению двумя разными методами. В зависимости от выбранного метода разложения даны рекомендации для приготовления раствора из полученной пробы. Подготовленный раствор помещают в пробирку пробоотборного устройства масс-спектрометра с индуктивно связанной аргоновой плазмой и проводят измерение. Концентрацию ванадия в воздухе определяют с использованием градуировочного графика с учетом приведения объема воздуха, отобранного для анализа, к нормальным условиям.

Недостатком известного способа является несовершенство используемого фильтроматериала, не позволяющего достоверно определять низкие концентрации более широко распространенных элементов, чем ванадий, на определение которого ориентирован данный метод.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение количества определяемых химических элементов в воздушной среде, снижение пределов обнаружения и повышение точности при определении свинца, кадмия, железа, никеля, алюминия, сурьмы, кобальта, меди, магния, марганца и хрома.

Указанный технический результат достигается за счет использования пробоотборного фильтроматериала из смешанных эфиров целлюлозы с низким фоновым содержанием аналитов, позволяющего уменьшить значения концентраций и разброс при проведении холостого опыта, а также проведения процессов пробоподготовки проб в условиях чистого рабочего места, свободного от частиц определяемых элементов.

В таблице 1 представлены данные о содержание металлов в неэкпонированных фильтрах типа АФА-ХА и фильтрах из смешанных эфиров целлюлозы, полученные на основании исследований 20 фильтров каждой партии. Содержание 11 металлов определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой с использованием прибора Agilent 7800 ICP-MS. Исследования показали значительное снижение фонового содержания хрома, меди, свинца, магния, марганца, никеля, кобальта, алюминия и железа в фильтрах из смешанных эфиров целлюлозы по сравнению с АФА-ХА 20. В содержаниях сурьмы, кадмия достоверных отличий не обнаружено. Разброс в содержании элементов на фильтрах из смешанных эфиров целлюлозы не превышает 33% (для свинца), в то время как на фильтрах АФА-ХА 20 составляет интервал от 9% (для марганца) до 76,6% (для кадмия). Значения разброса для разных элементов неоднозначны и могут варьироваться в широких пределах. Расчет содержания металлов на фильтре выполнен исходя из максимальных значений объемного расхода воздуха (20 дм³/мин) и времени отбора (20 мин), обеспечивающих минимальную величину проскока для выбранных типов фильтров.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:

Отбор проб атмосферного воздуха производят путем его протягивания через аналитический фильтр из смешанных эфиров целлюлозы, диаметром 37 мм и размером пор 0,8 мкм, предназначенный для анализа следовых количеств металлов. Протяжку воздуха осуществляют в течение 20-30 мин с объемным расходом 20 дм³/мин, при этом фиксируют температуру воздуха и давление на момент отбора пробы. При отборе и транспортировке фильтр находится в специальной пробоотборной «кассете», поставляемой вместе с фильтрами. Такой способ позволяет уменьшить контаминацию на стадиях отбора и транспортировки. Экспонированный фильтр подвергают микроволновому разложению во фторопластовом стакане по стандартной программе, прилагаемой к микроволновой печи.

По окончании процесса стакан с минерализованной матрицей помещают в чистое помещение, свободное от частиц определяемых элементов, где открывают стакан и выдерживают до прекращения выделения окислов азота (для ускорения процесса можно использовать ультразвуковую баню или орбитальный шейкер).

Прозрачный минерализат переносят в полипропиленовую пробирку, где производят доведение пробы деионизированной водой I класса чистоты до объема 50 см³. Готовую пробу переносят в виалу, помещают в автосэмплер масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой и проводят измерение. Концентрации элементов рассчитывают методом градуировочного графика с учетом приведения объема отобранного воздуха к нормальным условиям.

Процедуры приготовления градуировочных растворов, разведения проб, а также открытие «кассет» с фильтрами производятся в чистом рабочем помещении.

Использование «чистого рабочего помещения» при проведении всех процедур пробоподготовки и приготовления растворов позволяет минимизировать загрязнение проб аэрозолями металлов из воздуха лабораторного помещения. Чистое рабочее помещение оказывает видимый эффект на точность и разброс результатов при проведении измерений концентраций высоко распространенных макроэлементов на уровне предела обнаружения. Способ реализуется за счет снижения пределов обнаружения при определении выбранных аналитов с использованием пробоотборных фильтров, обладающих низкими фоновыми содержаниями определяемых элементов. Выбранные условия отбора, пробоподготовки и анализа, обеспечивают определение выбранных аналитов на уровнях референтных концентраций для атмосферного воздуха.

В таблице 2 представлены результаты расчета содержания металлов на экспонированных фильтрах при условии выполнения требований к методу анализа, обеспечивающих определение загрязняющих веществ на уровнях 0,5 ПДК для воздуха рабочей зоны и 0,8 ОБУВ для атмосферного воздуха в сравнении с фоновыми содержаниями аналитических фильтров двух типов - АФА-ХА по способу прототипа и фильтров из смешанных эфиров целлюлозы по предлагаемому способу.

Результаты показывают, что использование фильтров из смешанных эфиров целлюлозы позволяет определять содержание всех исследуемых металлов в атмосферном воздухе и в воздухе рабочей зоны. Высокое содержание анализируемых элементов в сочетании с их большим разбросом в неэкспонированных фильтрах АФА-ХА 20 ограничивает возможности контроля за содержанием меди, свинца, марганца, никеля и алюминия в атмосферном воздухе и полностью исключает возможность получения достоверных показателей по содержанию хрома как в воздухе рабочей зоны, так и в атмосферном воздухе.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет решить техническую задачу, заключающуюся в определении основных элементов-загрязнителей в крупных промышленных городах в атмосферном воздухе на уровнях референтных концентраций.

1. Способ определения массовых концентраций примесей в атмосферном воздухе при помощи масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, характеризующийся тем, что отбор проб атмосферного воздуха проводится путем протягивания исследуемого воздуха через фильтр, при этом фиксируют температуру воздуха и давление на момент отбора пробы, после отбора фильтр подвергают разложению методом микроволновой пробоподготовки, при которой фильтр помещают во фторопластовый стакан, полученный минерализат переносят в полипропиленовую пробирку, где производят разведение пробы деионизированной водой, готовую пробу переносят в виалу и помещают в автосэмплер масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой и проводят измерение, концентрации элементов рассчитывают методом градуировочного графика с учетом приведения объема отобранного воздуха к нормальным условиям, отличающийся тем, что в качестве фильтра используется аналитический фильтр из смешанных эфиров целлюлозы, диаметром 37 мм и размером пор 0,8 мкм, предназначенный для анализа следовых количеств металлов, протяжку воздуха осуществляют в течение 20-30 мин с объемным расходом 20 дм³/мин, по окончании процесса стакан с минерализованной матрицей помещают в чистое помещение, свободное от частиц определяемых элементов, где открывают стакан и выдерживают до прекращения выделения окислов азота, проводят разведение пробы деионизированной водой I класса чистоты до объема 50 см³, где определяемые примеси включают свинец, кадмий, железо, никель, алюминий, сурьму, кобальт, медь, магний, марганец и хром.

2. Способ по п. 1. отличающийся тем, что для ускорения процесса выделения окислов азота после минерализации матрицы можно использовать ультразвуковую баню или орбитальный шейкер.