Способ определения паров алкилфторфосфонатов в воздухе

Способ определения паров алкилфторфосфонатов в воздухе

Реферат

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов, в том числе фосфорорганических веществ, путем разделения образцов материалов на составные части с использованием адсорбции, абсорбции, хроматографии и масс-спектрометрии, а более конкретно к способам идентификации и количественного определения паров алкилфторфосфонатов в воздухе методом хромато-масс-спектрометрии. Изобретение может быть использовано в аналитической химии и экологии, в частности, при проведении химического контроля воздуха на объектах по хранению и уничтожению химического оружия.

Известен способ определения фосфорорганических веществ в реакционных массах. Способ не позволяет проводить определение фосфорорганических веществ в воздухе. [МВИ №031-02-126-05 - Методика выполнения измерений массовой концентрации зарина в реакционных массах газохроматографическим методом. - М.: ГосНИИОХТ, 2005. - 20 С.].

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения паров алкилфторфосфонатов в воздухе рабочей зоны методом газовой хроматографии с пламенно-фотометрическим детектированием [МВИ №031-01-103-03 Методика выполнения измерений массовой концентрации зарина в воздухе рабочей зоны методом газовой хроматографии с пламенно-фотометрическим детектированием. Новиков С. В., Назаров В.Б., Егоров И.В., Качур Е.В. - М.: Проманалитика, 2003. - 17 с.]. Согласно известному способу измерение массовой концентрации паров алкилфторфосфонатов в воздухе рабочей зоны выполняется посредством предварительного концентрирования паров из воздуха на сорбенте внутри сорбционных трубок, с последующей термодесорбцией, газохроматографическим определением на пламенно-фотометрическом детекторе по каналу фосфора (λ=525 нм) и регистрацией сигнала детектора в цифровой форме с помощью ЭВМ. Определение массовых концентраций алкилфторфосфонатов производится методом абсолютной градуировки. Минимально определяемая массовая концентрация алкилфторфосфонатов в воздухе, например O-пинаколилметилфторфосфоната, составляет (5,0±1,2)·10^-6 мг/м³ при отборе 20 дм³ зараженного воздуха.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение - повышение чувствительности количественного определения фосфорорганических отравляющих веществ при снижении объема отбираемого зараженного воздуха до 1 дм³ и уменьшении времени проведения анализа.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе определения паров алкилфторфосфонатов в воздухе, включающем концентрирование паров алкилфторфосфонатов на полимерный сорбент, помещенный в металлическую трубку, последующую десорбцию паров алкилфторфосфонатов в поток газа-носителя, повторную сорбцию алкилфторфосфонатов из потока газа-носителя на полимерный сорбент, помещенный в стеклянную трубку, повторную десорбцию паров алкилфторфосфонатов в поток газа-носителя при нагревании с одновременным вводом в хроматографическую капиллярную колонку, разделение анализируемого состава в хроматографической капиллярной колонке, покрытой слоем слабополярной неподвижной жидкой фазы, при термостатировании и последующем программируемом повышении температуры со скоростью 15°С/мин до 155°С, детектирование разделенных компонентов с регистрацией сигнала детектора в цифровой форме и определение массовых концентраций алкилфторфосфонатов методом абсолютной калибровки, согласно предложению, в качестве сорбента для концентрирования и повторной сорбции паров алкилфторфосфонатов используют высокомолекулярный сорбент на основе сополимера 2,6-дифенил-n-фениленоксида с зернением 35/60 меш и 60/80 меш соответственно, в качестве слабополярной неподвижной жидкой фазы для разделения анализируемого состава в хроматографической капиллярной колонке используют 5%-фенил-95%-метилполисилоксан, а детектирование разделенных компонентов осуществляют масс-селективным детектором в режиме сканирования выбранных ионов при анализе О-этилметилфторфосфоната регистрации ионов с отношением массы к заряду 111,0, 98,9, 81,9 и 80,9, при анализе O-изопропилметилфторфосфоната - ионов с отношением массы к заряду 125,0, 98,9, 80,9 и 42,9, при анализе O-изобутилметилфторфосфоната - ионов с отношением массы к заряду 112,0 98,9, 81,9 и 80,9, при анализе O-пинаколилметилфторфосфоната - ионов с отношением массы к заряду 126,0, 98,9, 81,9 и 69,0.

Пример 1.

Определяют наличие и концентрацию паров алкилфторфосфоната - O-пинаколилметилфторфосфоната в воздухе. Для доказательства реализуемости предложенного способа в герметичном сосуде создают концентрацию O-пинаколилметилфторфосфоната, равную 2,0·10⁶ мг/м³.

Проводят отбор 1 дм³ зараженного воздуха при помощи аспирационного устройства и кон центрирование паров O-пинаколилметилфторфосфоната на высокомолекулярный сорбент на основе сополимера 2,6-дифенил-n-фениленоксида с зернением 35/60 меш, помещенный в количестве 200 мг в металлическую трубку с внутренним диаметром 8 мм. Скорость аспирации 1 дм³/мин. Затем проводят десорбцию паров O-пинаколилметилфтор-фосфоната в поток газа-носителя (азота) со скоростью 30 см³/мин при температуре 220°С и повторную сорбцию O-пинаколилметилфторфосфоната из потока газа-носителя азота при температуре 50°С на высокомолекулярный сорбент на основе сополимера 2,6-дифенил-n-фениленоксида с зернением 60/80 меш, помещенный в количестве 30 мг в стеклянную трубку с внутренним диаметром 1 мм. Вновь проводят повторную десорбцию паров O-пинаколилметилфторфосфоната в поток газа-носителя носителя азота со скоростью 1 см³/мин при температуре 220°С с одновременным вводом в хроматографическую капиллярную колонку. Затем осуществляют разделение анализируемого состава в хроматографической кварцевой капиллярной колонке длиной 25 м, внутренним диаметром 0,25 мм и толщиной слоя слабополярной неподвижной жидкой фазы (5%-фенил-95%-метилполисилоксан) 0,25 мкм, хроматографическое разделение при термостатировании хроматографической капиллярной колонки при 50°С в течение 3 мин и последующего программирования температуры со скоростью 15°С/мин до 155°С, детектирование разделенных компонентов масс-селективным детектором в режиме сканирования выбранных ионов с относительной массой 126,0, 98,9, 81,9 и 69,0, регистрацию сигнала детекторов в цифровой форме с помощью ЭВМ и определение массовой концентрации O-пинаколилметил-фторфосфоната методом абсолютной калибровки.

Для абсолютной калибровки детектора готовят градуировочные растворы O-пинаколилметилфторфосфоната в дихлорметане в диапазоне концентраций (2,0·10^-6-3,0·10^-4) мг/см³. При помощи микрошприца градуировочные растворы, объемом 0,001 см³ вводят в сорбционный патрон, который помещают в камеру нагрева термодесорбера, подключенного к хромато-масс-спектрометру. Хромато-масс-спектрометрический анализ сорбционных патронов с градуировочными растворами проводят при следующих условиях (таблица 1):

Таблица 1
Условия термодесорбции
температура клапана (восьмиходового)	(260,0±1,0)°С
температура интерфейса	(260,0±1,0)°С
температура сорбционного патрона	(220,0±1,0)°С
температура фокусирующего патрона	(220,0±1,0)°С
время нагрева сорбционного патрона	(3,0±0,1) мин
время охлаждения сорбционного патрона	(1,0±0,1) мин
время нагрева фокусирующего патрона	(3,0±0,1) мин
объемная скорость азота через сорбционный патрон	(30,00±0,01) см3/мин
Условия хроматографического разделения
начальная температура термостата колонки	(50,0±1,0)°С
плато начальной температуры термостата колонки	3 мин
скорость подъема температуры термостата колонки	(15,0±0,1)°С/мин
объемная скорость азота через колонку	(1,00±0,01) см3/мин
конечная температура термостата колонки	(155,0±1,0)°С
Условия работы масс-селективного детектора
температура интерфейса	(280,0±1,0)°С
температура источника ионов	(230,0±1,0)°С
температура масс-фильтра	(50,0±1,0)°С
способ ионизации	электронный удар
детектирование	в режиме сканирования выбранных ионов (SIM)
регистрация ионов с относительной массой 126,0, 98,9, 81,9 и 69,0	4,0-10,0 мин

В памяти ЭВМ фиксируют площади хроматографических пиков по иону с m/z 98,9, соответствующих по времени выхода (8,6±0,3) мин O-пинаколилметилфторфосфонату, и масс-спектры. По площади пиков с помощью стандартной программы обработки данных рассчитывают градуировочную характеристику - площадь хроматографического пика по иону с m/z 98,9 от содержания O-пинаколилметилфторфосфоната в сорбционном патроне с внесенным градуировочным раствором.

При отборе проб с помощью поливинилхлоридной трубки к аспиратору подсоединяют сорбционный патрон и прокачивают 1 дм³ зараженного воздуха.

Сорбционную трубку с отобранной пробой помещают в камеру нагрева термодесорбера и производят анализ в соответствии с условиями как при градуировке прибора.

На экспериментально полученной хроматограмме с использованием программы обработки данных в интервале времени удержания O-пинаколилметилфторфосфоната (8,6±0,3) мин определяют хроматографический пик с двумя максимумами с совместным присутствием ионов с m/z 126,0, 98,9, 81,9 и 69,0. Экспериментальный масс-спектр сравнивают с масс-спектром, полученным при градуировке прибора. При совпадении экспериментального масс-спектра с масс-спектром, полученным при градуировке прибора, O-пинаколилметилфторфосфонат считается идентифицированным. По величине площади хроматографического пика по иону с m/z 98,9 вещества, идентифицированного как O-пинаколилметилфторфосфонат, с использованием градуировочной характеристики и стандартной программы обработки данных с точностью до двух значащих цифр рассчитывают концентрацию O-пинаколилметилфторфосфоната в пробе воздуха.

Обработку результатов измерений массовой концентрации O-пинаколилметилфторфосфоната в пробах воздуха, С, мг/м³, выполняют путем вычисления по формуле:

где m - массовое количество O-пинаколилметилфторфосфоната, найденное с использованием градуировочной зависимости, мг;

V - объем отобранного воздуха, дм³;

1000 - коэффициент перевода размерности дм³ в м³.

Массовая концентрация O-пинаколилметилфторфосфоната в пробе воздуха равна 2,0·10^-6 мг/м³, что с точностью до 0,7·10^-6 мг/м³ соответствует заданному значению (см. выше).

Таким образом, из представленного примера осуществления способа следует, что чувствительность определения O-пинаколилметилфторфосфоната в воздухе составляет (2,0±0,7)·10^-6 мг/м³, а время определения 14 минут.

Средства измерений, вспомогательные устройства, посуда, реактивы и материалы

Хроматограф газовый, Agilent 6890 с масс-селективным детектором Agilent 5973, с пределом детектирования в режиме сканирования выбранных ионов (SIM) по октафторнафталину 2·10^-14 г фирмы «Agilent Technologies» (США).

Весы аналитические ВЛР-200, с погрешностью взвешивания 0,0001 г ГОСТ 24104-88.

Пипетки 2-1-2-0,1, 2-1-2-0,5, 2-1-2-1, 2-1-2-5 по ГОСТ 29227-91.

Колбы 2-25-2, 2-50-2, 2-100-2 по ГОСТ 1770-74.

Микрошприц МШ-10 по ТУ 2.833.106-78 с пределом допускаемой систематической погрешности ±5%.

ЭВМ HP Compaq 530 фирмы «Hewlett Packard» (США) с программным обеспечением для управления и обработки данных «Chemstation G1701DA», «Agilent Technologies» (США).

Термодесорбер АСЕМ-900, фирмы «Dynatherm analytical instruments, INC» (США).

Сорбционный патрон, в виде металлической трубки с внутренним диаметром 8 мм, снаряженный полимерный сорбент на основе сополимера 2,6-дифенил-n-фениленоксида с зернением 35/60 меш в количестве 200 мг.

Кварцевая капиллярная колонка HP-5MS, длиной 25 м, внутренним диаметром 0,25 мм, толщиной слоя слабополярной неподвижной жидкой фазы (5%-фенил-95%-метилполисилоксан) 0,25 мкм, фирмы «Agilent Technologies» (США).

Пробоотборное устройство аспиратор модели ОП-221 ТЦ ТУ 4213-005-23136558-99.

Колба Кн-1-50-29/32 ГОСТ 25336-82.

Зоман с содержанием основного вещества (80÷99%) ОСТВ 6-02-8-76.

Дихлорметан, х.ч., ГОСТ 9968-73.

Азот сжатый марки А ТУ 51-940-80.

Трубка поливинилхлоридная, ТУ 6-01-1196-79.

Пример 2 контрольный. Определяют наличие и концентрацию паров алкилфторфосфоната - O-пинаколилметилфторфосфоната в воздухе известным способом (МВИ №031-01-103-03). Для этого в герметичных сосудах создают концентрации O-пинаколилметилфторфосфоната, равные 2,0·10^-6 мг/м³ и 5,0·10^-6 мг/м³.

Проводят отбор зараженного воздуха, объемом 1, 2,5, 5, 10 и 20 дм³ из каждого герметичного сосуда, при помощи аспирационного устройства и концентрирование паров O-пинаколилметилфторфосфоната на трубки сорбционные КП-1 В-ССП-05. Скорость аспирации 1 дм³/мин. Затем проводят десорбцию паров O-пинаколилметилфторфосфоната из трубки сорбционной в поток газа-носителя (азота) со скоростью 15 см³/мин при температуре 240°С в течении 5 мин и повторную сорбцию O-пинаколилметилфторфосфоната из потока газа-носителя азота при температуре 40°С на концентрирующей трубке. Вновь проводят повторную десорбцию паров O-пинаколилметилфторфосфоната в поток газа-носителя носителя гелия со скоростью 1 см³/мин при температуре 260°С в течении 5 мин с одновременным вводом в хроматографическую капиллярную колонку. Затем осуществляют разделение анализируемого состава в хроматографической кварцевой капиллярной колонке длиной 25 м, внутренним диаметром 0,25 мм и толщиной слоя слабополярной неподвижной жидкой фазы (5%-фенил-95%-метилполисилоксан) 0,25 мкм, хроматографическое разделение при термостатировании хроматографической капиллярной колонки при 40°С в течение 1 мин и последующего программирования температуры со скоростью 15°С/мин до 280°С, детектирование разделенных компонентов пламенно-фотометрическим детектором по каналу фосфора (λ=525 нм), регистрацию сигнала детекторов в цифровой форме с помощью ЭВМ и определение массовой концентрации O-пинаколилметилфторфосфоната методом абсолютной калибровки.

Результат. O-пинаколилметилфторфосфонат в пробах воздуха, отобранных в объемах 1, 2,5, 5 и 10 дм³ из герметичных сосудов с концентрацией O-пинаколилметилфторфосфоната 2,0·10^-6 мг/м³ и 5,0·10^-6 мг/м³ и в объеме 20 дм³ из герметичного сосуда с концентрацией O-пинаколилметилфторфосфоната 2,0·10^-6 мг/м³, по данным хроматографического анализа не обнаружен. Измеренная массовая концентрация O-пинаколилметилфторфосфоната в пробе воздуха, отобранной в объеме 20 дм³ из герметичного сосуда с концентрацией O-пинаколилметилфторфосфоната 5,0·10^-6 мг/м³, равна 5,0·10^-6 мг/м³.

Таким образом, из представленного примера следует, что чувствительность определения O-пинаколилметилфторфосфоната в воздухе по известному способу составляет 5,0·10^-6 мг/м³, при отборе 20 дм³ исследуемого воздуха, а время определения 56 минут.

Примеры 3-5 контрольные. Для сравнения проводят определение паров O-пинаколилметилфторфосфоната с концентрацией 2,0·10^-6 мг/м³ в воздухе по примеру №1, но с использованием иных высокомолекулярных сорбентов (на основе политетрафторэтилена - Chromosorb Т, на основе сополимера этилвинилбензолдивинилбензола - Porapak Q) в металлической и стеклянной трубках и другой полярной неподвижной жидкой фазы в капиллярной колонке (полиэтиленгликоль - HP-WAX). Из герметичного сосуда, с содержанием паров 0-пинаколилметилфторфосфоната в концентрации 2,0·10^-6 мг/м³, отбирались пробы воздуха объемом 1, 2,5, 5, 10, 20 и 40 дм³ со скоростью аспирации 1 дм³/мин. Экспериментальные результаты проверки чувствительности способов определения паров O-пинаколилметилфторфосфоната в воздухе приведены в таблице 2. Видно, что лишь при использовании в качестве сорбента для концентрирования и повторной сорбции паров фосфорорганических веществ высокомолекулярного сорбента на основе сополимера 2,6-дифенил-n-фениленоксида с зернением 35/60 меш и 60/80 меш соответственно достигается увеличение чувствительности способа определения паров O-пинаколилметил-фторфосфоната в воздухе и снижение объема воздуха, отбираемого на анализ.

Аналогичный вывод (об отсутствии положительного эффекта) можно сделать при анализе примера 5, в котором вместо слоя слабополярной неподвижной жидкой фазы в колонке (5%-фенил-95%-метилполисилоксан) используют слой полярной неподвижной жидкой фазы (100%-полиэтиленгликоль) при прочих равных условиях.

Таким образом, из представленных контрольных примеров осуществления способа следует, что чувствительность определения О-пинаколилметил-фторфосфоната в воздухе составляет (2,0±0,7)·10^-6 мг/м³, а время определения 14 минут, что доказывает решение поставленной задачи.

Таблица 2.
Экспериментальные результаты для сравнения способов
№ п/п	Способ, сорбент (марка)	Детектор	Характеристики способа
			Чувствительность, мг/м3	Объем пробы воздуха, дм3	Время, мин
1	По изобретению	МСД	(2,0±0,7)·10-6	1,0	14
2	Контрольный с иным детектором	ПФД	(5,0±1,2)·10-6	20,0	56
	Контрольный Сорбент на основе политетрафторэтилена (Chromosorb Т)	МСД	(2,0±0,7)·10-6	40,0	53
4	Контрольный Сорбент на основе сополимера этилвинил-бензолдивинилбензола (Porapak Q)	МСД	(2,0±0,7)·10-6	20,0	33
5	Контрольный Капиллярная колонка HP-WAX с слоем полярной неподвижной жидкой фазы - полиэтиленгликоль. (Agilent Technologies)	МСД	(2,0±0/7)·10-6	5,0	14

Источники информации

1. МВИ №031-02-126-05 - Методика выполнения измерений массовой концентрации зарина в реакционных массах газохроматографическим методом. - М.: ГосНИИОХТ, 2005. - 20 с.

2. МВИ №031-01-103-03 - Методика выполнения измерений массовой концентрации зарина в воздухе рабочей зоны методом газовой хроматографии с пламенно-фотометрическим детектированием. Новиков С.В., Назаров В.Б., Егоров И.В., Качур Е.В. - М.: Проманалитика, 2003. - 17 с.

1. Способ определения паров алкилфторфосфонатов в воздухе, включающий концентрирование паров алкилфторфосфонатов на полимерный сорбент, помещенный в металлическую трубку, последующую десорбцию паров алкилфторфосфонатов в поток газа-носителя, повторную сорбцию алкилфторфосфонатов из потока газа-носителя на полимерный сорбент, помещенный в стеклянную трубку, повторную десорбцию паров алкилфторфосфонатов в поток газа-носителя при нагревании с одновременным вводом в хроматографическую капиллярную колонку, разделение анализируемого состава в хроматографической капиллярной колонке, покрытой слоем слабополярной неподвижной жидкой фазы, при термостатировании и последующем программируемом повышении температуры со скоростью 15°С/мин до 155°С, детектирование разделенных компонентов с регистрацией сигнала детектора в цифровой форме и определение массовых концентраций алкилфторфосфонатов методом абсолютной калибровки, отличающийся тем, что в качестве сорбента для концентрирования и повторной сорбции паров алкилфторфосфонатов используют высокомолекулярный сорбент на основе сополимера 2,6-дифенил-n-фениленоксида с зернением 35/60 и 60/80 меш соответственно, в качестве слабополярной неподвижной жидкой фазы для разделения анализируемого состава в хроматографической капиллярной колонке используют 5%-фенил-95%-метилполисилоксан, а детектирование разделенных компонентов осуществляют масс-селективным детектором в режиме сканирования выбранных ионов при анализе О-этилметилфторфосфоната регистрации ионов с отношением массы к заряду 111,0; 98,9; 81,9 и 80,9, при анализе О-изопропилметилфторфосфоната-ионов с отношением массы к заряду 125,0; 98,9; 80,9 и 42,9, при анализе О-изобутилметилфторфосфоната-ионов с отношением массы к заряду 112,0; 98,9; 81,9 и 80,9, при анализе О-пинаколилметилфторфосфоната-ионов с отношением массы к заряду 126,0; 98,9; 81,9 и 69,0.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при концентрировании алкилфторфосфонатов высокомолекулярный сорбент помещают в металлическую трубку с внутренним диаметром 8 мм, а при повторной сорбции высокомолекулярный сорбент помещают в стеклянную трубку с внутренним диаметром 1 мм.