Физико-химические методы получения информации о состоянии окружающей среды

  Люминесцентный метод относят к числу наиболее чувствительных эмиссионных методов определения следовых количеств органических и неорганических примесей в воздухе. Люминесцентный анализ применяют при определении в воздухе полиароматических углеводородов и их производных. Если определяемое соединение не обнаруживается люминесцентным методом анализа, возможен перевод его в производное, обладающее эмиссией флуоресценции. Для количественного анализа используют также явление тушения люминесценции.

  Приборы для люминесцентного анализа могут быть разделены на две группы, флуориметры и спектрофлуориметры. Во флуориметрах используют светофильтры, а в спектрофлуориметрах — дифракционные решетки. В нашей стране наибольшее распространение получил люминесцентно фотометрический анализатор «Флюорат-0,2» В этом приборе источником возбуждения люминесценции служит газоразрядная лампа (для измерения нефтепродуктов — ксеноновая). Спектральная селекция осуществляется интерференционными и стеклянными светофильтрами или монохроматором — дифракционной решеткой. В качестве приемника возбуждаемого света люминесценции служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Пробоподготовка при анализе НП в воде проводится экстракцией гексаном. Прибор позволяет измерять содержание целого ряда элементов и органических веществ, в том числе нефтепродуктов, фенолов, ПАВ, полиароматических углеводородов. Несмотря на высокую чувствительность люминесцентного метода, при использовании приборов типа «Флюорат-0,2» для измерения суммарного содержания НП возникает проблема калибровки прибора по стандартному раствору, что необходимо для получения достоверных измерений. Однако до настоящего времени такой стандартный раствор для люминесцентных методов отсутствует. Стандартный раствор изооктан — цетан — бензол, используемый для ИК-спектрометрии, изготавливается на четыреххлористом углероде, который поглощает в рабочей области флуориметра, поэтому калибровку проводят по какому-либо известному НП, например маслу Т-22. В результате при измерениях «тяжелых» НП (мазут и прочее) прибор может дать погрешность до 40 – 50%, а при определении «легких» НП (бензин и прочее) результаты измерений концентрации могут быть занижены в несколько раз. Следует отметить, что в европейских странах ультрафиолетовые методы анализа применяются мало.

   5. Хроматографические методы 

  Исключительно мощное средство контроля загрязнения  различных объектов окружающей среды - хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов. Наибольшее значение приобрели тонкослойная, газожидкостная и высокоэффективная жидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография хороша при определении пестицидов и других органических соединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна при анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ. Применение различных детекторов, например малоизбирательного детектора по теплопроводности - катарометра и избирательных - пламенно-ионизационного, электронного захвата, атомно-эмиссионного, позволяет достигать высокой чувствительности при определении высокотоксичных соединений. Высокоэффективную жидкостную хроматографию применяют при анализе смесей многих загрязняющих веществ, прежде всего нелетучих. Используя высокочувствительные детекторы: спектрофотометрические, флуориметрические, электрохимические, можно определять очень малые количества веществ. При анализе смесей сложного состава особенно эффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно с масс-спектрометрией. В последнем случае роль детектора играет подключенный к хроматографу масс-спектрометр. Обычно приборы такого типа оснащены мощным компьютером. Так определяют пестициды, полихлорированные бифенилы, диоксины, нитрозоамины и другие токсичные вещества. Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного составов вод.  
 
 
 
 
 

  5.1. Газовая хроматография 

  В основу метода газовой хроматографии  положен следующей принцип: анализ смеси веществ в результате распределения  компонентов между несмывающимися фазами, одна из которых – инертный газ (азот, гели и др.), другая – неподвижная (высококипящая жидкость или твердая фаза).

  Этот  метод имеет два варианта: газоадсорбция  и газожидкостная хроматография.

  Разделение  компонентов смеси происходит в  хроматографической колонке. Хроматографические колонки: набивные (длина – 1-3м, диаметр – около 4 мм, материал – стекло, сталь и др.) и капиллярные (длина – до 50м, материал – стекло, кварц).

  Выбор неподвижной фазы (Нф). Эффективность колонки (способность разделять сложные смеси на отдельные компоненты) зависит от размера частиц, на которые нанесена жидкая фаза. Она возрастает при использовании однородных частиц малого размера. Для стандартных набивных колонок оптимальный размер частиц 0,12-0,17 мм. Необходимо учитывать их близость к анализируемым соединениям. Для анализа полярных компонентов применяют полярные фазы, для анализа неполярных компонентов – менее полярные или полностью неполярные.

  Неполярные  фазы для газоадсорбционной хроматографии силикагель, оксид алюминия, цеолиты, полимерные сорбенты (например, полисорб, поропак и др.).

  Наиболее  употребляемые неподвижные жидкие фазы для жидкостной хроматографии карбовакс, силиконовые элястомеры, твердый носитель-хроматов и др.

  Подвижные фазы азот, гелий, аргон, пары воды. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  5.1.1 Детекторы 

  История развития газовой хроматографии – это история появления и развития детекторов для хроматографии. Применяются несколько типов детекторов.

  1) детектор теплопроводности (ДТП) или катарометр. Принцип его действия основан на различии теплопроводностей анализируемого вещества и газа-носителя;

  2) в детекторе ионизационно-пламенном (ПИД или ДИП.) используется зависимость электропроводности пространства между электродами от числа находящихся в нем ионизированных частиц, которые образуются в водородном пламени под действием термических и окислительных процессов при попадании в него молекул анализируемого вещества. Выходным сигналом детектора является значение силы тока, протекающего между электродами под действием приложенного к ним напряжения;

  3) электронно-захватный детектор (ЭЗД), или детектор по захвату электронов, как и ДИП, основан на зависимости электропроводности промежутка между электродами и числом ионов, находящихся в этом промежутке, которое связано с числом молекул, поступающих в детектор. Однако механизм и способ образования ионов принципиально отличаются от такового в случае ДИП – ионы образуются в результате взаимодействия молекул анализируемого вещества и потока электронов в камере детектора в результате бета-распада радиоактивного вещества.

  Необходим очень чистый газ-носитель, например азот «ОСЧ», не содержащий следов кислорода, который снижал бы чувствительность детектора ЭЗД. Чувствительность определения зависит от наличия галоид -, нитро - и других групп, взаимодействующих с электронами;

  4) детектор термоионный (ДТИ) по принципу действия аналогичен ДИП. Однако дополнительно в водородное пламя непрерывно поступает поток ионов щелочных металлов (калий, натрий, цезий). В их присутствии резко возрастает эффективность ионизации соединений, содержащих азот, фосфор, хлор и др. ДТИ применяют для определения ФОС и азотсодержащих соединений;

  5) пламенно-фотометрический детектор (ПФД) селективен и обладает чувствительностью по отношению к соединениям, содержащим серу.

  Качественный  анализ состоит в сравнении периодов времени удерживания данного вещества на хроматограмме от момента ввода пробы в испаритель до момента, соответствующего максимальному значению сигнала для данного компонента.

  Количественный  анализ основан на прямо пропорциональной зависимости содержания вещества в пробе от площади пика данного компонента на хроматограмме. Расчет ведется в основном тремя методами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  5.1.2. Методы количественного анализа  

  1. Метод абсолютной калибровки заключается в построении графиков зависимости высоты или площади пика X от содержания компонентов в смеси. Расчет ведется по следующим формулам:

  X = 1000a/V

  X = cV/V20,

  где а – содержание вещества, определенное по графику, мг; V – объем пробы воздуха, вводимого в испаритель хроматографа, мл; с – концентрация вещества, рассчитанная по графику, мг/мл; V20 – объем пробы воздуха, произведенный в стандартных условиях.

  2. Метод внутреннего стандарта основан на введении в анализируемую смесь известного количества вещества, принимаемого за стандарт. По своим свойствам оно должно быть достаточно близко к анализируемым соединениям, но полностью отличаться от них по хроматограмме.

  3. Метод норматизации площадей пиков. При этом сумму площадей всех пиков с учетом поправочных коэффициентов принимают за 100%. Для вычисления концентрации вещества (в объемных процентах) необходимо его площадь умножить на 100 и разделить на сумму всех площадей. Метод прост, но может быть использован лишь тогда, когда все компоненты известны и полностью разделены. 
 
 
 
 
 
 

  5.2. Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) 

  Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) – хроматографический метод, позволяющий разделить высококипящие жидкости и (или) твердые вещества, которые затруднительно либо нецелесообразно определять методом газожидкостной хроматографии, например полициклические ароматические углеводороды, аминокислоты, ПАВ, пестициды, лекарственные препараты, углеводы и др.

  Основой хроматографического разделения является участие компонентов разделяемой  смеси в сложной системе Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий (преимущественно межмолекулярных) на границе раздела фаз. Как способ анализа, ВЭЖХ входит в состав группы методов, которая, ввиду сложности исследуемых объектов, включает предварительное разделение исходной сложной смеси на относительно простые. Полученные простые смеси анализируются затем обычными физико-химическими методами или специальными методами, созданными для хроматографии.

  Принцип жидкостной хроматографии состоит в разделении компонентов смеси, основанном на различии в равновесном распределении их между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна, а другая подвижна.

  Отличительной особенностью ВЭЖХ является использование  высокого давления (до 400 бар) и мелкозернистых сорбентов (обычно 3-5 мкм, сейчас до 1.8 мкм). Это позволяет разделять сложные  смеси веществ быстро и полно (среднее время анализа от 3 до 30 минут).

  Метод ВЭЖХ находит широкое применение в таких областях, как химия, нефтехимия, биология, биотехнология, медицина, пищевая промышленность, охрана окружающей среды, производство лекарственных препаратов и во многих других.

  По  механизму разделения анализируемых  или разделяемых веществ ВЭЖХ делится на адсорбционную, распределительную, ионообменную, эксклюзионную, лигандообменную и другие.

  Следует иметь в виду, что в практической работе разделение часто протекает  не по одному, а по нескольким механизмам одновременно. Так эксклюзионное разделение бывает осложнено адсорбционными эффектами, адсорбционное — распределительными, и наоборот. При этом чем больше различие веществ в пробе по степени ионизации, основности или кислотности, по молекулярной массе, поляризуемости и другим параметрам, тем больше вероятность проявления другого механизма разделения для таких веществ.

  На  практике, наибольшее распространение  получила «обращённо-фазовая» (распределительная) хроматография, в которой неподвижная  фаза не полярна, а подвижная полярна (т. е. обратна «прямофазной» хроматографии).

  Хроматограф состоит из:

  -колонок  из нержавеющей стали, толстостенного  стекла, тантала или меди; диаметр  – 1-6 мм, длина – от 10-15 см до 7 м;

  -пористых  носителей: силикагель, хромосорб,  биосил и др. с удельной площадью  более 50 м/г и диаметр частиц 0,005-0,05 мм;

  -детекторов: рефрактометрической с чувствительностью  10 г/мл, УФ-детектор с чувствительностью  10 и флуориметрический с чувствительностью 10 г/мл, а также электрохимический;

  - подвижной фазы: ацетонитрил, метанол и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 

  5.3. Тонкослойная хроматография (ТСХ) 

  Тонкослойная  хроматография (ТСХ) - это вариант хроматографии, основанный на различии в скорости перемещения компонентов смеси в плоском тонком слое (толщина 0,1-0,5 мм) сорбента при их движении в потоке подвижной фазы (элюента). Последняя представляет собой, как правило, жидкость, однако осуществлен и газовый вариант ТСХ. В качестве сорбентов используют мелкозернистые силикагель, Аl₂О₃, целлюлозу, крахмал, полиамид, иониты и др. Суспензиями этих сорбентов покрывают пластинки из стекла, фольги или пластика; для закрепления слоя применяют крахмал, гипс или другие связующие. Выпускаются готовые пластинки с уже закрепленным слоем сорбента. Элюентами служат обычно смеси органических растворителей, водных растворов кислот, солей, комплексообразующих и других веществ. В зависимости от выбора хроматографической системы (состава подвижной и неподвижной фаз) в разделении веществ основную роль могут играть процессы адсорбции, экстракции, ионного обмена, комплексообразования. На практике часто реализуются одновременно нескольких механизмов разделения.