газохроматографический способ количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ с использованием в качестве внутреннего стандарта диалкиловых эфиров метилфосфоновой кислоты

Формула изобретения

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 =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.

Описание изобретения к патенту

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 S_x (определяемый компонент) и S_ст (внутренний стандарт), по формуле 2:

где m_x и m_ст - навески определяемого вещества и внутреннего стандарта;

k_x - 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	( - 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=m_вн.ст/m_пробы (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 ( )
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 ( )
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.