1.1.4. Подготовка проб к анализу в лаборатории

Развитие технологии экоаналитического контроля загрязнения объектов окружающей среды в настоящее время идет двумя путями: разработка максимально селективных и чувствительных методов определения индивидуальных веществ (например, масс-спектрометрия высокого разрешения) или сочетание методов предварительной пробоподготовки (разделения и концентрирования и др.) с неселективными методами определения в «комбинированных» методах анализа.

При этом предварительная подготовка пробы, включающая операции разделения и концентрирования определяемых компонентов, обеспечивает оптимальное измерение аналитического сигнала как функции концентрации или содержания. Следует заметить, что применение таких комбинированных методов часто позволяет получать необходимый результат, отвечающий всем метрологическим требованиям, более быстро и с меньшими материальными затратами, чем при использовании уникального и весьма дорогого оборудования (в рамках первого направления).

Далеко не всегда удается проанализировать образец без предварительного выделения определяемых компонентов из природной матрицы. При этом, как правило, возникает необходимость их конценгрирования по отношению к матричным компонентам, присутствующим в растворе или газовой фазе. Даже такие «мощные» методы, как хромато-масс-спектрометрия или газовая хроматография в сочетании с ИК-спектроскопией, не всегда могут решить задачи следового анализа 3В в объектах ОС. Поэтому и применяется концентрированно с целью снижения нижнего предела обнаружения и повышения чувствительности определений. При этом процедуры разделения позволяют значительно упростить анализ и повысить его селективность, устранив влияние мешающих примесей.

Задачами подготовки проб к анализу в лаборатории (пробоподготовки), как правило, являются: гомогенизация (достижение однородности пробы), обогащение пробы (ее концентрирование), удаление мешающих примесей (повышение селективности будущего анализа) и др.
Гомогенизацияпробы особенно важна для твердых (сыпучих) образцов проб и реже жидких. Она обеспечивает представительность анализа (воспроизводимость повторяемых результатов) и во многом технически облегчает количественный анализ (см. 1.1.5).

Гомогенизацию твердых образцов, как правило, осуществляют путем размола, дробления, диспергирования, измельчения, смешения и т.п. Аналогичные операции применяют для подготовки проб к растворению или химической обработке (модификации), поскольку уменьшение размеров частиц сопровождается увеличением их поверхности и, соответственно, повышением скорости взаимодействия с реагентами. В частности, перед растворением для определения тяжелых металлов образцы почвы тщательно перемешивают, растирают в ступке и методом «квартования» отбирают среднюю пробу [27].

Подготовка к анализу биологических образцов и пищевых продуктов также включает в себя гомогенизацию [28, 29]. Обычно ее проводят в миксерах с вращающимися ножами. Однако они являются главными источниками загрязнения биопроб, поскольку сильно истираются в процессе нагрева при работе. Поэтому рекомендуется применять высокоскоростные миксеры с охлаждением. Описан интересный метод подготовки проб биологических тканей путем их охлаждения жидким азотом до хрупкого состояния с резким встряхиванием или размалыванием в порошок.

Концентрирование чаще всего осуществляют сублимацией твердых. дистилляцией (упариванием) жидких проб или экстрагированием из них анализируемого вещества. Пробу отобранного воздуха, как правило, пропускают через минимальный объем поглотителя или сорбируют на минимальном количестве твердого адсорбента, добиваясь тем самым максимального ее концентрирования.
При выборе метода концентрирования для целей экоаналитического контроля можно руководствоваться устоявшейся практикой анализа объектов окружающей среды [30].
Исходя из нее, можно считать, что наиболее универсальными и часто применяемыми методами концентрирования являются сорбция (абсолютный лидер) и экстракция (в особенности «мокрая» и сверхкритическая флюидная). В то же время наиболее сложной средой, с точки зрения концентрирования отобранных из нее проб, является воздух.

Удаление примесей, как и концентрирование, возможно за счет разделения, селективной экстракции, а также другими методами (хроматографированием, «маскированием» и т.д.). Более подробно эти операции описаны в работах [6, 22] и ряде других.
Иногда используют в качестве методов пробоподготовки специальную дополнительную обработку проб для модифицирования (получения производных) анализируемого вещества в другое соединение, более легко определяемое выбранным методом анализа.

Для изменения поведения отдельных компонентов проб в процессах разделения рекомендуются различные способы. Можно, например, изменить растворимость вещества, что сказывается на его поведении при извлечении из жидких и твердых проб. В большинстве случаев физическое, физико-химическое и химическое преобразование (модификация) определяемых соединении базируется на изменении их полярности, молекулярной массы, размеров молекул или их формы. Так, полярность молекул изменяют путем превращения их в менее полярные производные, что повышает летучесть соединении. В других случаях вводят хромофорные группы (ответственные за окраску) или электрофильные группировки для последующего определения методами спектрофотометрии или вольтам-перометрии [31].

В принципе химическую модификацию определяемых соединений можно осуществлять на различных стадиях:

• до выделения компонентов из смеси;
• в процессе выделения (например, непосредственно в хроматографической колонке);
• после выделения вещества из матрицы.

Каждый из перечисленных вариантов имеет свои преимущества и недостатки. Успех модификации во многом зависит от конструкции реакторов: трубчатых, капиллярных, слоевых и др. Обычно применяют трубчатые реакторы из кварцевого стекла и реакторы с неподвижным слоем реагента [22].

Типичное устройство для химической модификации следовых компонентов после их выделения описано в работе [32]. В этом устройстве пестициды на основе N-метилкарбаматов гидролизуют до метиламинов раствором 1идроксида натрия в реакторе, представляющем собой нагретую до 100 °С стеклянную спираль длиной 3 м. При реакции метиламинов с о-фталевым альдегидом и 2-метилмеркаптоэтанолом образуются флуоресцирующие производные, которые регистрируют соответствующими детекторами.

Подготовка пробы к анализу является необходимой не только для того, чтобы сконцентрировать исследуемые компоненты и отделить их от мешающих примесей, но и во многом для «подстройки» пробы к анализатору - прибору, на котором осуществляется количественное измерение содержания анализируемого в пробе загрязняющего вещества. Целью такой подстройки является достижение достоверности и воспроизводимости анализа (см. 1.1.5).

Если речь идет о функциональном анализе (определении вещества по наличию в его структуре специфических функциональных групп) либо об определении различных состояний и форм элементов, то операции пробоподготовки не должны изменять исходные искомые компоненты. Последнее обстоятельство особенно важно при идентификации природы 3В.

В зависимости от фазового состояния объектов ОС (газы, жидкости и твердые вещества) для решения подобной задачи выделены три основные схемы пробоподготовки, используемые в экоаналитическом контроле [6]. Принципиально эти схемы рассчитаны на одновременную идентификацию и определение различных форм 3В, о которых к началу анализа нет исходной информации. Поэтому они, как правило, основаны на «щадящих» методах пробоподготовки.
По мере выяснения природы 3В и состава пробы оказываемое на пробу физико-химическое и/или химическое воздействие может нарастать. В частности, при анализе газовых проб известного качественного состава часто применяют метод «реакционно-сорбционного концентрирования» [33]. Он основан на предварительном удалении мешающих веществ в колонке с химическими реагентами. Это позволяет свести к минимуму конкурентную сорбцию мешающих компонентов и существенно уменьшить систематическую погрешность анализа.

Так, при хроматографическом определении в воздухе тетраалкильных производных свинца удаление мешающих примесей озона проводят на колонке из фторопласта с сульфатом железа (II), после чего соединения свинца концентрируют в другой колонке (с паропаком Q). Изменение состава сорбентов и химических реагентов позволяет удалить из анализируемой смеси строго определенные компоненты.

Если рассматривать проблему в целом, то следует отметить, что в большинстве случаев процессы пробоподготовки заключаются в отделении определяемых компонентов от матрицы или, наоборот, мешающих веществ от анализируемой среды таким образом, чтобы достигался максимальный эффект. При этом применяется весьма ограниченное число методов разделения и концентрирования (прежде всего, экстракция и хроматография). При этом методы, требующие очень сложного оборудования, большого количества высокочистых реагентов и значительных затрат времени, в широкой практике обычно не применяются.

Основная доля затрат приходится на процедуры по переводу проб в форму, удобную для анализа (например, растворение, разложение, перевод в другую фазу и т.п.), и отделению определяемых компонентов от мешающих веществ. При их выполнении пока преобладает ручной труд, что во многом обусловливает высокую стоимость определений. В целом пробоподготовку надо строить таким образом, чтобы добиться непрерывного определения 3В в потоке. Длительные операции следует интенсифицировать, используя более высокую температуру и давление, более реакционноспособные среды, эффекты катализа, физические воздействия (микроволновое, фотохимическое) и иные приемы.

Предпочтительны решения, которые позволяют обойтись минимальным числом операций пробоподготовки. Кроме того, они должны быть адекватны друг другу по точностным параметрам, ведь, как известно, именно пробоотбор и пробоподготовка лимитируют надежность получаемых результатов.

Рассмотренные выше особенности и методы пробоподготовки при анализе 3В в природных объектах позволяют сделать вывод о необходимости дальнейших серьезных исследовании в этой области. Именно пробоподготовка в большинстве случаев является наиболее слабым звеном в общей схеме экоаналитического контроля и часто лимитирует качество получаемых аналитических данных. Появление современных технических средств пробоподготовки (автосамплеры, сорбционные патроны, сверхкритические экстракторы и др.) позволяет автоматизировать многие процессы. Однако в конечном итоге надежность аналитической информации во многом зависит и от умения (квалификации) оператора-аналитика.