Разработка высокочувствительной и селективной методики количественного определения тетрахлорэтилена в питьевой воде для контроля и мониторинга

Введение

Доступ к безопасной питьевой воде имеет большое значение для охраны здоровья и развития на национальном, региональном и местном уровнях. В рамках стратегий по управлению рисками (отражённых в национальных стандартах и деятельности по мониторингу) основное внимание следует уделять химическим веществам, представляющим угрозу для здоровья населения или оказывающим существенное воздействие на качество питьевой воды [1]. Использование поверхностных водоёмов в условиях дефицита подземных источников расширяется, что усложняет задачу очистки и подготовки питьевой воды. Поверхностные воды чаще подвержены антропогенному загрязнению, в том числе попаданию в них хлорированных алифатических и ароматических углеводородов – веществ с канцерогенным, гонадотоксическим, эмбриотоксическим и аллергенным потенциалом. К таким соединениям относится и тетрахлорэтилен (C₂Cl₄), известный также как перхлорэтилен [2, 3]. Методики, обеспечивающие контроль и мониторинг качества питьевой воды, являются неотъемлемой частью системы гигиенической безопасности, и их совершенствование необходимо для адаптации к вызовам, связанным с загрязнением источников питьевого водоснабжения населения. Развитие и внедрение более эффективных методов позволяет оперативно реагировать на изменения в окружающей среде, минимизировать риски для здоровья человека и стабильно обеспечивать население безопасной питьевой водой [3, 4]. Необходимость разработки более чувствительных методик анализа обусловлена ужесточением гигиенических нормативов, требующих выявления в различных средах обитания человека (воздух, вода, почва, продукты питания) крайне низких концентраций токсичных веществ, в том числе канцерогенных, обладающих беспороговым действием. Современная наука и законодательство стремятся обеспечить более высокий уровень безопасности для здоровья человека, поэтому требуется возможность обнаружения даже следовых количеств загрязнителей, чтобы эффективно контролировать их присутствие и предотвращать возможные негативные последствия для здоровья населения [5, 6].

В Российской Федерации действующая методика МУК 4.1.1205–03¹ позволяет определять тетрахлорэтилен в диапазоне концентраций 0,03–20 мг/дм³. Эта методика основана на газохроматографическом анализе с использованием динамической газовой экстракции, концентрирования на твёрдом полимерном сорбенте, термодесорбции и детектирования фотоионизационным детектором (ФИД). Согласно межгосударственному стандарту ГОСТ 31951–2012², метод анализа равновесной паровой фазы позволяет определять массовую концентрацию тетрахлорэтилена в диапазоне от 0,0006 до 0,025 мг/дм³. Otson R., Williams D.T. [7] разработали методику определения тетрахлорэтилена в воде методом парофазного анализа с нижним пределом обнаружения < 0,0001 мг/дм³. Хромато-масс-спектрометрическая методика [8], разработанная Baykut G., Voigt A., позволяет определять тетрахлорэтилен в воде в диапазоне концентраций 0,000010–0,000030 мг/дм³.

Цель исследования – разработка высокочувствительной и селективной методики определения тетрахлорэтилена в питьевой воде методом газохроматографического анализа равновесной паровой фазы (ГХ/ПФА) для обеспечения контроля и мониторинга гигиенической безопасности.

Материалы и методы

Объектом исследования были стандартные образцы тетрахлорэтилена, пробы питьевой воды. Предмет исследования – технология разработки газохроматографической методики. При подготовке пробы воды для извлечения тетрахлорэтилена из образцов воды применяли метод статического парофазного анализа. При хроматографическом разделении методом газовой хроматографии использовали капиллярные колонки с различными неподвижными жидкими фазами (НЖФ) и улучшенными характеристиками для достижения более высокого разрешения и разделения сложных смесей [9–13]. В целях достижения высокой аналитической специфичности при определении тетрахлорэтилена в пробах воды и минимизации влияния матричных эффектов, а также сопутствующих хлорорганических соединений в хроматографическом анализе применяли селективный детектор электронного захвата (ЭЗД).

Для обеспечения достоверности результатов проводили экспериментальное подтверждение пригодности методики для решения поставленных аналитических задач и получения достоверных результатов: предела обнаружения (LOD), предела количественного определения (LOQ), линейности, правильности, точности и воспроизводимости. Эти параметры являются ключевыми при валидации аналитических методик, поскольку позволяют оценить пригодность метода для получения достоверных и надёжных результатов.

Этапы исследования включали подготовку пробы воды для химического анализа, экстракцию целевого соединения методом ГХ/ПФА, оценку степени экстракции методом «введено – найдено», количественное определение тетрахлорэтилена.

Химические материалы, реагенты, приборная техника, режимы использования. Для приготовления градуировочных растворов с исходной концентрацией тетрахлорэтилена 0,0032 мг/дм³ использовали стандартные образцы ГСО 7212–95, стандартные образцы ГСО с исходной концентрацией хлороформа ГСО 7288–96, 1,2-дихлорэтана ГСО 7332–96, тетрахлорметана ГСО 7211–95, газообразный азот – генератор азота модели «Кристалл Азот 20.400 ОСЧ» (ЗАО СКБ «Хроматэк», Россия). Газовый хроматограф («Хроматэк-Кристалл» Россия) в составе: ЭЗД, режим с делением потока и экономией газа 9,976 мл/мин, температура детектора плюс 270 °С, кварцевая колонка серии CR-VOL 60 m ∙ 0,32 mm ∙ 1,8 µm; дозатор автоматический ДАЖ-2М 3Д парофазный (ЗАО СКБ «Хроматэк», Россия): температура шприца – плюс 80 °С, температура термостата дозатора – плюс 80 °С. Объём шприца – 1 см³, объём вводимой пробы в испаритель хроматографа – 0,8 см³. Скорость отбора пробы – 20 см³/мин. Градуировочную характеристику устанавливали методом абсолютной градуировки на градуировочных смесях тетрахлорэтилена. Она выражает зависимость площади пика на хроматограмме (мм²) от концентрации компонента (мг/дм³) и строится по двум сериям растворов для градуировки. Раствор для градуировки готовили в колбе 1–25–2, содержащей 25 см³ метанола. В колбу вводили микрошприцем по 1 мм³ стандартного образца (ГСО 7212–95) тетрахлорэтилена. Весовое содержание компонента в исходном растворе составляет (с учётом плотности и содержания основного вещества) 0,06492 мг/дм³. Затем в пенициллиновый флакон, содержащий 10 мл воды, вносили микрошприцем 5; 2,5; 1; 0,5 мкл градуировочного раствора и анализировали газохроматографическим методом. Для определения нижнего диапазона измеряемых концентраций (0,0001 мг/дм³) был приготовлен дополнительный градуировочный раствор. Для этого 0,8 см³ градуировочного раствора (концентрация 0,06492 мг/дм³) вносили в колбу объёмом 50 мл и доводили до метки метанолом. В пенициллиновый флакон, содержащий 10 см³ воды, вносили микрошприцем 1 мм³ полученного раствора и анализировали газохроматографическим методом.

Результаты

Для достижения эффективного разделения тетрахлорэтилена с хлорорганическими соединениями (хлороформ, тетрахлорметан, 1,2-дихлорэтан), присутствующими в питьевой воде, комплексно учитывали полярность НЖФ, температурный режим, толщину плёнки, скорость газа-носителя и характеристики анализируемых соединений. Тестирование различных комбинаций параметров и использование программного обеспечения для моделирования хроматографических процессов помогло оптимизировать условия анализа.

Для обеспечения селективности колонки необходимо правильно выбрать НЖФ. Важной характеристикой НФ является её полярность. Экспериментально отработаны условия разделения тетрахлорэтилена и сопутствующих хлорорганических соединений (хлороформ, тетрахлорметан, 1,2-дихлорэтан) на кварцевых капиллярных колонках с различными НЖФ: средней полярности DB-624, низкой полярности HP-1 и высокой полярности HP-FFAP. Оптимальное разделение соединений было получено при использовании капиллярной хроматографической колонки CR VOL (60 м × 0,32 мм × 1,8 мкм).

Для разделения стандартного образца тетрахлорэтилена с сопутствующими компонентами (хлороформ, тетрахлорметан, 1,2-дихлорэтан) применяли режим программирования температуры колонки (с вариацией скоростей нагрева): с температуры плюс 70 °С (1 мин) со скоростью нагрева 10 °С/мин до температуры плюс 140 °С (0 мин); нагрев со скоростью 5 °С/мин до температуры плюс 200 °С (2 мин); нагрев со скоростью 25 °С/мин до температуры плюс 225 °С (2 мин). Такой режим обеспечивал полное разделение хлороформа, тетрахлорметана, 1,2-дихлорэтана, тетрахлорэтилена, высокую селективность за счёт поэтапного подбора условий для групп веществ и приемлемое время анализа (15–20 мин). Для эффективного разделения тетрахлорэтилена и сопутствующих компонентов отработаны расход газа-носителя с делением потока «азот – воздух» и без деления потока «азот – воздух». Результаты отработанных условий хроматографирования представлены в табл. 1.

Для достижения эффективного разделения при низких концентрациях важны следующие параметры. Колонка кварцевая капиллярная, например, CR-VOL 60 м × 0,32 мм × 1,8 µм, обеспечивает высокую эффективность и селективность для хлорорганических соединений. Газ-носитель – азот высокой чистоты (≥ 99,99%) обеспечивает стабильность потока и низкую фоновую проводимость, температурный режим (программирование). Детектор ЭЗД имеет высокую чувствительность к галогенсодержащим соединениям, температура детектора плюс 250–300 °C предотвращает конденсацию компонентов, температура испарителя плюс 220–250 °C обес-печивает полное испарение пробы без разложения (режим 2, см. табл. 1). Хроматограмма стандартного раствора тетрахлорэтилена и сопутствующих хлорорганических соединений при отработанных газохроматографических условиях анализа представлена на рис. 1.

Градуировочный график определения тетрахлорэтилена в питьевой воде представлен на рис. 2.

Для оптимизации условий газовой экстракции тетрахлорэтилена из водных образцов применяли метод парофазного анализа (ПФА). С помощью автоматического жидкостного дозатора (ДАЖ) и анализа стандартных образцов установили зависимость эффективности экстракции от температуры.

Экспериментальная отработка параметров парофазной экстракции с применением ДАЖ позволила определить оптимальную температуру нагрева образца (плюс 80 °C) для эффективного извлечения тетрахлорэтилена (97–100%) с сохранением селективности разделения, минимизировать влияние матричных эффектов (испарения воды) и фонового шума, достичь пределов обнаружения, соответствующих требованиям ГОСТ 31951–2012 (до 0,0006 мг/дм³), обеспечить высокую воспроизводимость результатов (СКО ≤ 10%). Результаты представлены в табл. 2.

Полученные результаты (см. табл. 2) показали, что максимальная степень извлечения (экстракции) тетрахлорэтилена (100%) из проб воды достигается при температуре нагрева ДАЖ плюс 80 °С.

В процессе исследования определяли оптимальное время термостатирования пробы при температуре плюс 80 °C, которое обеспечивает полное межфазовое равновесие между фазами без потери анализируемого вещества. Равновесие фиксировали по стабилизации сигнала детектора (площади пика тетрахлорэтилена). Результаты изучения полноты экстракции тетрахлорэтилена из проб воды представлены в табл. 3.

Отработанные условия парофазной экстракции: нагрев до температуры плюс 80 °C с выдержкой 30 мин обеспечивают максимальное извлечение тетрахлорэтилена (99–100%) за счёт достижения межфазового равновесия, минимизацию матричных эффектов воды (низкий фон, отсутствие уширения пиков), высокую точность и воспроизводимость результатов (RSD ≤ 5%). Метод высаливания (солевого осаждения) применяли для повышения эффективности извлечения целевого аналита из раствора. Механизм основан на снижении растворимости аналита в водной фазе, что способствует его концентрированию и последующему переводу в паровую фазу [12].

Для извлечения тетрахлорэтилена из проб воды применяли нейтральные соли щелочных и щёлочноземельных металлов различной массы [14, 15]. В процессе исследования установлено, что добавление нейтральных солей (высаливание) при парофазном анализе повышает чувствительность и точность определения тетрахлорэтилена в пробах воды за счёт снижения его растворимости и, следовательно, увеличения перехода в паровую фазу. В качестве высаливателей использовали NaCl, Na₂SO₄, MgSO₄. Известно, что тетрахлорэтилен (перхлолрэтилен) имеет кислую среду (рН ≥ 5,5), может проявлять слабокислотные свойства из-за электроноакцепторного влияния атомов хлора [16].

Для оценки систематической погрешности, правильности и воспроизводимости методики применяли метод «введено – найдено». Изучена степень экстракции тетрахлорэтилена из образцов воды с применением нейтральных и щёлочноземельных солей при n = 5 и p = 0,95. Результаты представлены в табл. 4.

В процессе исследований установлено, что использование сульфата натрия в количестве 5 г на 10 см³ пробы обеспечивает максимальную степень извлечения тетрахлорэтилена (100%) за счёт сильного высаливающего эффекта, высокую воспроизводимость результатов (СКО ≤ 5%), минимизацию матричных помех и фонового сигнала. Применение метода «введено – найдено» на стандартных растворах, приготовленных на основе дистиллированной воды, позволило подтвердить правильность и воспроизводимость результатов определения тетрахлорэтилена методом ГХ/ПФА с условием строгого соблюдения методики приготовления растворов и анализа. При отработанных оптимальных параметрах подготовки пробы воды к химическому анализу строили калибровочный график методом абсолютной градуировки с применением стандартных образцов тетрахлорэтилена.

При построении калибровочного графика соблюдали следующий алгоритм. В качестве исходных материалов использовали аттестованные стандартные образцы, обеспечивающие метрологическую прослеживаемость результатов, готовили 5–8 стандартных растворов с концентрациями, охватывающими диапазон измеряемых концентраций, для каждой концентрации выполняли не менее трёх параллельных измерений. Проверяли линейность градуировочной зависимости (коэффициент корреляции r ≥ 0,99) и воспроизводимость параллельных измерений (относительное стандартное отклонение ≤ 5%).

Заключительным этапом исследований была валидация методики, направленная на подтверждение соответствия установленным метрологическим требованиям, доказательство надёжности и пригодности методики и обеспечение возможности получения достоверных результатов анализа³.

Результаты валидации:

1. Определению тетрахлорэтилена в образцах воды не мешают летучие хлорорганические соединения (хлороформ, тетрахлорметан, 1,2-дихлорэтан и др.), что подтверждено газохроматографическим анализом стандартной смеси с использованием детектора электронного захвата.
2. Предел обнаружения (LOD), полученный в результате построения градуировочной зависимости, составил 0,00001 мг/дм³.
3. Предел количественного определения (ПКО, LOQ) для тетрахлорэтилена в воде C_lim = 0,0001 мг/дм³. LOQ рассчитывали по уравнению (1):

LOQ = 10 · S / b,                                      (1)

где S – стандартное отклонение аналитического сигнала; b – коэффициент чувствительности, представляющий собой отношение аналитического сигнала к определяемой величине [17].

По рекомендациям CITAC (комитет по аналитической координации) за предел количественного определения LOQ принимали величину 10So (стандартное отклонение холостого опыта), где So – стандартное отклонение аналитического сигнала. So является показателем чувствительности метода, определяющим минимальную концентрацию вещества, которую можно надёжно количественно определить в воде [18].

В ходе валидации методики количественного определения тетрахлорэтилена в питьевой воде использовали метод градуировочного графика. Установленное относительное среднеквадратическое отклонение (СКО = 7,22%) свидетельствовало о достаточной прецизионности метода. Это позволило надёжно определять концентрации тетрахлорэтилена в воде в диапазоне 0,0001–0,03 мг/дм³, добиться хорошей воспроизводимости результатов (СКО < 10%), что соответствует общепринятым критериям приемлемости для аналитических методик, и повысить точность измерений за счёт статистической обработки данных трёх серий градуировочных растворов, включающей расчёт среднего значения и оценку разброса результатов.

Экспериментальные данные обрабатывали методом наименьших квадратов с использованием линейной модели. Рассчитаны величины: угловой коэффициент (b) и коэффициент корреляции (r). Использованы линейные зависимости, отвечающие условию |r| ≥ 0,99 0,99 с доверительной вероятностью Р = 99,9%. Полученные статистические показатели подтверждают высокую точность и надёжность разработанной методики количественного определения тетрахлорэтилена методом градуировочного графика.

Обсуждение

Методика определения тетрахлорэтилена в водных средах методом ГХ/ПФА с ЭЗД основана на сочетании двух технологий: парофазного анализа и селективного детектирования галогенсодержащих соединений. Этот подход позволяет анализировать летучие хлорорганические соединения с высокой чувствительностью и селективностью [19]. Эксплуатация закрытого радионуклидного источника ионизирующего излучения соответствует государственным санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам согласно санитарно-эпидемиологическому заключению № 59.55.20.000.М.000337.03.26 от 13.03.2026 г.

Методика обеспечивает высокочувствительное и селективное определение опасного хлорорганического соединения тетрахлорэтилена в питьевой воде в присутствии сопутствующих хлорорганических соединений в диапазоне концентраций 0,0001–0,03 мг/дм³ [20]. Техника выполнения анализа основана на извлечении аналита из водных сред с помощью автоматизированного устройства ввода проб ДАЖ-2М 3D, которое обеспечивает точное дозирование равновесной паровой фазы и повышает воспроизводимость анализа. Количественное определение тетрахлорэтилена в водных средах выполнено методом градуировки.

Существующая в Российской Федерации методика МУК 4.1.1205–03 не позволяет определять тетрахлорэтилен в диапазоне, соответствующем гигиеническому нормативу СанПиН 1.2.3685–21. Диапазон определения тетрахлорэтилена составляет 0,03–20 мг/дм³ по МУК 4.1.1205–03, в то же время гигиенический норматив СанПиН 1.2.3685–21 для тетрахлорэтилена в питьевой воде централизованного водоснабжения составляет 0,005 мг/дм³. Нижний предел определения по МУК 4.1.1205–03 (0,03 мг/дм³) превышает этот норматив в шесть раз, что не позволяет достоверно контролировать соответствие воды требованиям безопасности.

Разработанная методика с нижним диапазоном 0,0001 мг/дм³ обладает в шесть раз более низким минимальным пределом определения по сравнению с методом по ГОСТ 31951–2012 (0,0006 мг/дм³). Таким образом, разработанная методика позволяет обнаруживать тетрахлорэтилен в воде при значительно более низких концентрациях, что расширяет возможности контроля качества воды.

Разработанная газохроматографическая методика определения тетрахлорэтилена в воде по нижнему диапазону измерения концентраций коррелирует по типу детектора, условиям анализа, способу пробоподготовки с методиками, разработанными зарубежными авторами. Так, Otson R., Williams D.T. [7] разработали методику определения 42 органических загрязнителей в воде методом газовой хроматографии с анализом паровой фазы. В данной методике были применены легкосборная автоматизированная система продувки, улавливание на колонке и одновременное использование пламенно-ионизационного и электролитического кондуктометрического детекторов с нижним пределом обнаружения тетрахлорэтилена в воде < 0,0001 мг/дм³. Хромато-масс-спектрометрическая методика [8], разработанная Baykut G., Voigt A., позволяет выполнять определение тетрахлорэтилена в воде в диапазоне концентраций 0,00001–0,00003 мг/дм³. Аналитический обзор зарубежных методик определения тетрахлорэтилена в воде показал, что высокая селективность и чувствительность методов достигаются за счёт современного аналитического оборудования с низким порогом обнаружения количеств вещества в пробе [7, 8]. Актуальные методики пробоподготовки проб к анализу включают эффективные и автоматические методы экстракции и концентрирование токсиканта из образцов воды. Основные методы определения тетрахлорэтилена за рубежом – использование газохроматографического анализа паровой фазы с различными типами детекторов, а также анализ с помощью хромато-масс-спектрометрии высокого разрешения, что позволяет селективно разделять тетрахлорэтилен с сопутствующими хлорорганическими соединениями в воде и обнаруживать концентрации вещества на более низких уровнях [13–17]. Вместе с тем к недостаткам зарубежных методик относятся высокая стоимость оборудования, значительные вложения в ремонт, замену расходных материалов.

Обзор зарубежной и отечественной методической литературы показал, что оптимальным вариантом для количественного определения тетрахлорэтилена в водных средах является метод капиллярной газовой хроматографии с ЭЗД, для идентификации необходимо применять хромато-масс-спектрометрию, что позволяет выйти на высокий уровень количественного определения тетрахлорэтилена в водных средах. Задача оценки содержания токсичных органических соединений (тетрахлорэтилен) в воде остаётся актуальной, поскольку до сих пор не предложено высокочувствительных и селективных методик определения с использованием высокотехнологичного оборудования.

Таким образом, в настоящее время существует задача разработки современных и эффективных методик анализа с высокой прецизионностью определения потенциально токсичных хлорорганических соединений в концентрациях существенно более низких, чем нормированное предельно допустимое содержание, и комбинированием методов ГХ/МС.

Разработанная газохроматографическая методика обеспечивает надёжный контроль тетрахлорэтилена в питьевой воде на уровне ниже ПДК, что важно для обеспечения безопасности водоснабжения.

Заключение

1. Газохроматографическая методика с использованием детектора электронного захвата является эффективным инструментом для санитарно-гигиенического контроля хлорорганических соединений тетрахлорэтилена (C₂Cl₄) в питьевой воде, обеспечивает точный и чувствительный анализ в диапазоне концентраций 0,0001–0,03 мг/дм³.

2. Низкие пределы обнаружения тетрахлорэтилена в воде (0,0001 мг/дм³) существенно повышают возможности контроля качества питьевой воды. Это позволяет своевременно выявлять даже незначительные загрязнения, минимизировать риск хронического воздействия токсиканта на население и обеспечивать более высокий уровень безопасности особенно уязвимых групп.

¹ МУК 4.1.1205–03 Газохроматографическое определение бензола, трихлорэтилена, толуола, тетрахлорэтилена, хлорбензола, этилбензола, м-, п-ксилолов, о-ксилола, стирола, изопропилбензола, о-хлортолуола и нафталина в воде.

² ГОСТ 31951–2012 «Вода питьевая. Определение содержания летучих галогенорганических соединений газожидкостной хроматографией».

³ СITAC Guide / Eurachem. Guide to Quality in Analytical Chemistry: An Aid to Accreditation. Edition 2016.