Проблемы хроматографического определения содержания летучих органических соединений в воздухе и их решение с использованием ФГХ-1-2

(материалы 1-й части вебинара от 13.10.2017)

Анализ содержания загрязняющих веществ в воздухе – задача сложная и не решается, как правило, каким-либо одним методом. Для определения концентрации пыли и аэрозолей используется осаждение на фильтры с последующим анализом различными методами. Анализ содержания отдельных газов, например, окислов углерода, азота, серы, проводится с использованием специфических газоанализаторов. Достоверный анализ содержания в воздухе летучих органических соединений (ЛОС) на газоанализаторах из-за их неселективности невозможен и обычно проводится на газовых хроматографах.

Основой газовой хроматографии является постоянство времени, за которое при неизменности всех внешних условий каждое вещество проходит через хроматографическую колонку. Именно поэтому время выхода вещества – время появления вершины хроматографического пика вещества, – обычно используется для идентификации данного вещества.

В хроматографах с масс-спектрометрическим детектором идентификация веществ осуществляется по спектру масс ионов. Значительная цена таких приборов делает их малопригодными для массового применения, да и анализ хроматограмм при совместном выходе нескольких веществ – задача мало пригодная для автоматизации и требует, как правило, вмешательства высококвалифицированного специалиста.

Для решения задач качественного газохроматографического анализа смеси газов используют различные методы: метод добавки чистых веществ, сравнение параметров удерживания – метод внешнего стандарта, метод идентификации по графикам удерживания. Для реализация этих методов, как правило, требуются операторы высокой квалификации. Данные методы мало пригодны для проведения массовых серийных анализов.

Чаще всего в газовой хроматографии используют прямую градуировку прибора по исследуемым веществам, а идентификацию проводят по времени выхода пиков на хроматограмме. Данный метод, как и другие, имеет стандартные для хроматографии проблемы:

• абсолютно точно соблюсти повторяемость всех условий измерений невозможно, поэтому времена выхода веществ могут смещаться в некоторых пределах по хроматограмме;
• времена выхода различных веществ могут быть близки и даже совпадать, что является очень большой проблемой при анализе многокомпонентной или потенциально многокомпонентной смеси, например, воздуха.

Для решения первой проблемы анализируемые пики можно идентифицировать не по точному времени выхода пика вещества, а по диапазону – «окну», ширина которого зависит от возможностей прибора. Вторая проблема сложнее и проявляется при любых методах идентификации.

Посмотрим как идентификация веществ проводится на различных хроматографах на примере одной и той же модельной парогазовой смеси: бутилакрилат, изобутилацетат, альфа-метилстирол, псевдокумол, стирол, хлорбензол, циклогексан и циклогексанон с концентрациями в пределах 5÷30 ПДК атмосферы и примеси – бензол, толуол, ксилолы и этилбензол, – с концентрациями 0,3÷1 ПДК атмосферы. Парогазовая смесь анализировалась на хроматографах Syntech Spectras GC 955 модели 600 (Голландия) и на портативных хроматографах ФГХ-1 и ФГХ-1-2 производства НПФ «ЭКАН».

Сравним одноколоночные хроматографы GC 955 и ФГХ-1

Syntech Spectras GC 955 модель 600

Прибор предназначен для анализа атмосферного воздуха, имеет встроенные прогрессивные системы предварительного концентрирования пробы на сорбционной трубке и программирования температуры. Прибор имел заводскую градуировку на бензол, толуол, п-,м-,о-ксилолы, этилбензол и фенол. Как видно из хроматограммы исследуемой парогазовой смеси:

• правильно выявлены примеси толуола, этилбензола и суммы м- и п-ксилолов;
• из-за отсутствия в градуировке не выявлены все основные вещества смеси;
• ошибочно идентифицированы отсутствовавшие в пробе бензол, о-ксилол и фенол: за пик бензола приняты не разделенные пики циклогексана и бутилового спирта, за пик фенола приняты пики псевдокумола и альфа-метилстирола, за пик о-ксилола – практически неразделённые пики стирола, бутилакрилата и циклогексанона.

Результат вполне объясним. Дело не в конструкции прибора, а в методе идентификации. К сожалению, понимая сложность задачи, разработчики различных хроматографов часто идут двумя путями:

1. поставляя отградуированные приборы, просто не рассказывают потребителям обо всех сложностях с идентификацией и мешающими веществами, закладывая тем самым возможные последующие ошибки потребителей;
2. поставляя неотградуированные приборы, предлагают решать все эти проблемы потребителю самостоятельно.

В конечном итоге оба варианта ведут к неверной идентификации и серьезным ошибкам в анализе проб.

Утверждение: отработку применения хроматографической методики, включающую в себя настройку хроматографа (подбор колонки, температуры, расхода газа-носителя и т.п.), настройку программы (выбор размера «окна», тип интегрирования и т.д.) и отработку методического обеспечения (учёт мешающих веществ и пр.), должны производить комплексно, и разделение этих процессов между не связанными между собой производителем оборудования, разработчиком методики и пользователем чревато серьёзными ошибками.

Одноканальный газовый хроматограф ФГХ-1

Для той же смеси на одноканальном хроматографе ФГХ-1 с аналогичной колонкой SE-30, отградуированном на те же вещества, что и Syntech Spectras GC 955,

всё аналогично: ошибочно идентифицированы пики бензола, о-ксилола и фенола.

Очевидно, что для обеспечения правильной идентификации хроматограф должен быть отградуирован не только на требуемые для определения вещества, но дополнительно и на все реально присутствующие в пробе мешающие вещества, времена выхода которых близки к временам выхода искомых веществ.

На ФГХ-1, отградуированном только на вещества, реально присутствующие в исследуемой пробе, все вещества идентифицированы правильно и однозначно. Но далеко не всегда заранее можно знать, какие вещества могут быть во всех исследуемых пробах и отградуировать по ним прибор. Поэтому желательно градуировать хроматограф на все вещества, которые могли бы присутствовать во всех анализируемых пробах – и искомые, и примесные, или на все вещества, которые данный хроматограф с имеющимся детектором и разделительной колонкой мог бы определять.

В результате обработки хроматограмма той же парогазовой смеси на ФГХ-1, отградуированном на 90 веществ, большинство веществ идентифицированы правильно.

Однако:

• пик № 5 идентифицирован как фурфуриловый спирт вместо хлорбензола;
• практически не разделены пики амилового спирта, толуола и изобутилацетата,
• не разделены пики м-ксилола и п-ксилола, и как следствие, пик суммарно идентифицирован как п-ксилол;
• не выявлен о-ксилол под пиком бутилакрилата.

В хроматографе ФГХ-1 используется единая ширина «окна»: ±3% от времени выхода пика. Все вещества, времена выхода которых попадают в данное «окно», являются претендентами на идентификацию данного пика. В качестве предварительного варианта приводится название вещества, время выхода которого ближе всего к времени выхода пика. Количество претендентов выводится в таблице пиков, их список с временами выхода можно просмотреть при наведении курсора на соответствующую ячейку.

Как видим, по большинству пиков имеется несколько претендентов, причем среди претендентов по каждому неправильно идентифицированному пику есть вещество, действительно присутствующее в пробе, например, хлорбензол в качестве претендента на пик № 5.

Утверждение: чем на большее количество веществ прибор отградуирован, тем вероятнее достичь правильной идентификации пика. В этом случае среди претендентов на идентификацию каждого пика обязательно присутствуют нужные вещества.

Осталось дело за малым – выбрать нужное вещество из претендентов. Как это сделать?

При неполном разделении веществ на хроматограмме обычно рекомендуется провести анализ той же смеси с использование колонки другой полярности. При этом, в первую очередь, существенно поменяются времена выхода. На следующем рисунке представлена хроматограмма той же смеси на ФГХ-1, полученной при тех же условиях, включая температуру колонки и расход газа-носителя, но на колонке другой полярности – FFAP. Хроматограф был отградуирован на определение тех же 90 веществ.

Как и на предыдущей колонке пики всех веществ разделены, почти все основные вещества пробы идентифицированы правильно. Только изменились времена выхода веществ и, соответственно, образовались новые группы претендентов на идентификацию у каждого пика. Например, у пика циклогексана их стало 4. И вопрос остался тот же: как выбрать из претендентов нужные вещества? Ведь, теоретически, любой или любые из них могли бы присутствовать в пробе.

Все вышесказанное подтверждает правильность требований, изложенных в п. 10.2 ГОСТ Р ИСО 16017-1-2007: «Соответствие времени удерживания, полученное на отдельной колонке, не должно быть единственным критерием идентификации конкретного ЛОС». Но, если исследуется неизвестная по составу смесь в атмосфере, то затруднено и использование таких методов как

• реакционная газовая хроматография – в этом методе наряду с газохроматографическим разделением используются химические реакции, приводящие к образованию соединений, отличающихся по летучести и параметрам удерживания от исходных соединений;
• анализ на специальных селективных колонках;
• анализ на приборах с селективными детекторами, имеющими повышенную чувствительность к соединениям определенных классов.

Hевозможность однозначного определения хроматографическим методом различных групп веществ вызывает необходимость привлечения к хроматографическим методам идентификации ряд других инструментальных методов, например, ИК-спектрометрию, масс-спектрометрию. Однако, они очень дороги и требуют персонала очень высокой квалификации.

Каков же достойный и недорогой выход?

Цель:

1. Упростить процедуру идентификации веществ при проведении серийного хроматографического анализа неизвестной смеси веществ, например, при мониторинге загрязненности атмосферного воздуха.
2. Повысить достоверность хроматографического анализа неизвестной смеси веществ.

Наше предложение:

1. Использовать хроматограф, обеспечивающий одновременный ввод анализируемой пробы в две или более различные хроматографические колонки из одного дозирующего устройства.
2. Предварительно провести градуировку хроматографа по всем каналам по максимально возможному перечню веществ, детектируемых с используемыми детекторами и разделительными колонками.

Утверждение:
Идентификацию пиков можно существенно улучшить при проведении анализа одной и той же пробы на двух колонках разной полярности с последующим совместным анализом результатов.

Для анализа воздуха есть существенные уточнения: так как проба воздуха не очень хорошо хранится и меняет состав даже в специальных пробоотборных пакетах, промежуток времени между этими анализами должен быть минимален, а запись хроматограммы продолжается порой более часа. При отборе на поглотительные трубки проба хранится хорошо, но есть проблема сравнимости самих трубок. Самым разумным вариантом на наш взгляд является анализ, когда проба из одной дозы поступает в две колонки и анализируется одновременно.

Именно такой вариант реализован в портативных двух- и трёхканальных хроматографах ФГХ-1-2.

Совместный анализ двух или трёх хроматограмм с учётом всех претендентов, особенно в случае сложных проб, а воздух – сложная проба, потребует много сил и специфических знаний и пользователю может оказаться не по силам. Поэтому обработка и анализ хроматограмм максимально автоматизированы. В программном обеспечении ФГХ-1-2 данный программный модуль реализован и называется «перекрестная идентификация».

Работа двухколоночного хроматографа

Рассмотрим работу двухколоночного хроматографа ФГХ-1-2 (трёхколоночные модели ФГХ-1-2 имеют схожую схему и программное обеспечение).

В приборе используются две капиллярные колонки различной полярности и два одинаковых детектора. Градуировка каналов производится независимо друг от друга.

Программные решения ФГХ-1-2

В программном обеспечении прибора реализованы независимые обработки хроматограмм двух каналов – по сути два полноценных хроматографа с разными колонками. По каждому из каналов имеется независимая таблица стандартов – файл с градуировочными данными.

При выборе пункта «Совместная обработка двух каналов» появляется третья вкладка, на которой выводятся результаты «перекрестной идентификации»:

На данной вкладке выводятся хроматограммы пробы на двух каналах. В таблице вверху вкладки приводятся результаты перекрестной идентификации с указанием найденных совпавших веществ на обеих хроматограммах и величины измеренных концентраций.

На вкладке имеется флажок «нет полностью слившихся пиков». В случае если известно, что пики всех присутствующих в пробе веществ разделены, скорость и точность анализа значительно повышаются. Снятие данного флажка включает режим анализа, при котором допускается, что любой пик может быть сформирован при прохождении через детектор одновременно двух и более веществ – то есть пики этих веществ полностью «слились». Обработка хроматограмм в этом режиме

позволила программно разделить слившиеся на втором канале пики бутилового спирта и бензола, тем самым подтвердив, что на первом канале соответствующие пики принадлежат именно им, а не другим возможным претендентам. На рисунке различными цветами обозначены пики и соответствующие им названия веществ в таблице результатов:

• красным цветом – бензол на хроматограмме первого канала;
• зеленым цветом – бутиловый спирт на хроматограмме первого канала;
• синим цветом – слившийся пик бутилового спирта и бензола на хроматограмме второго канала.

Как видим, в данном примере все вещества и примеси идентифицированы верно.

Принципы «перекрестной идентификации»: в процессе анализа перебираются все варианты идентификации пиков по всем претендентам. Программа анализирует не только наличие или отсутствие пиков каждого из возможных претендентов на каждом из каналов, но и рассчитанные значения концентрации по каждому претенденту.

Заключение

Необходимость двухколоночного анализа стала очевидна достаточно давно. Не часто, но при разборе с пользователями очередного случая, когда в результате исследования пробы воздуха вдруг на хроматограмме выявляется вещество, абсолютно нехарактерное, а иногда и невозможное для места отбора пробы, приходилось констатировать, что имела место неверная идентификация – то есть одно вещество по причинам, рассмотренным выше, приняли за другое. Рекомендация при наличии сомнений в идентификации вещества «проанализировать пробу на колонке другой полярности» встречалась ещё в самых первых руководствах по хроматографии. Большинство стационарных хроматографов позволяют поставить две колонки, поэтому всегда основной проблемой была не техническая сторона, а отработка методики и, самое сложное, автоматическая обработка результатов. В хроматографе ФГХ-1-2 реализованы решения, позволяющие пользователю получать результат идентификации веществ в пробе по завершению записи хроматограммы, не затратив больших усилий.

Поставлено потребителям уже более 60 таких приборов. Хроматографы зарекомендовали себя с самой лучшей стороны. Не так уж и много существует приборов, которые могут достаточно надежно идентифицировать более 100 веществ в практически любых неизвестных по составу смесях, при этом квалификация операторов может быть минимальной.