⚗️ Lotne związki organiczne w wodzie (BTEX, naftalen, chlorowane węglowodory) — wypłukiwanie gazem i wychwyt na adsorbencie (purge-and-trap), desorpcja termiczna, GC-MS

Fizykochemia PN-EN ISO 15680

Przegląd

ISO 15680:2003 określa ogólną metodę oznaczania lotnych związków organicznych (VOC) w wodzie przez wyodrębnienie techniką purge-and-trap i chromatografię gazową; załączniki A, B i C podają przykłady analitów — od difluorodichlorometanu (R-12) po trichlorobenzen, w tym wszystkie niepolarne związki organiczne o pośredniej lotności (VOC definiuje się jako związek na ogół niepolarny o temperaturze wrzenia ok. −30 °C do 220 °C). Detekcję prowadzi się najlepiej spektrometrem mas w trybie jonizacji elektronami (EI), ale można stosować inne detektory (FID, ECD, PID, ELCD). Granica wykrywalności zależy od detektora i parametrów pracy — typowo osiąga się nawet 10 ng/l (3 odchylenia standardowe z 10 powtórzeń), a zakres roboczy sięga zwykle 100 µg/l. Metoda dotyczy wody do spożycia, podziemnej, powierzchniowej, morskiej i (rozcieńczonych) ścieków. W Polsce obowiązuje jako PN-EN ISO 15680:2008 (wersja polska; zastąpiła PN-EN ISO 15680:2004). Rozporządzenie z 2019 r. (Dz.U. 2019 poz. 1311) wskazuje PN-EN ISO 15680 jako metodykę referencyjną chromatografii gazowej m.in. dla lotnych węglowodorów, trichlorobenzenu i innych chlorowanych związków w ściekach.

Zakłócenia: w zasadzie każdy wypłukiwalny związek o tym samym czasie retencji i podobnym widmie masowym; w praktyce widma większości analitów są charakterystyczne, a jony ilościowe dobiera się tak, aby wykluczyć koelucję. VOC łatwo ulatniają się podczas poboru, transportu, przechowywania i przygotowania (wyniki zaniżone) albo dyfundują do próbek z powietrza laboratorium i lodówki (zawyżone); zanieczyszczać może gaz wypłukujący i nośny, powietrze laboratorium w naczyniu do wypłukiwania, odzież laboratoryjna (halogenowane węglowodory). Wszystkie przewody, uszczelki i zawory powinny być ze stali nierdzewnej lub szkła (bez tworzyw); naczynia ze spiekiem szklanym grożą przeniesieniem zanieczyszczeń; pienienie próbek z surfaktantami wymaga natychmiastowego przerwania wypłukiwania; „zimne punkty” w linii transferowej adsorbują VOC, a niedosuszone adsorbenty blokują kriopułapkę lodem; adsorbenty starzeją się (zmiana pojemności i tła); próbki w autosamplerze chroni się przed światłem (brązowe fiolki).

Zasada metody

Ustaloną objętość próbki wypłukuje się ustaloną objętością gazu obojętnego, wydmuchując lotne składniki, które są następnie zatrzymywane a) na pułapce z upakowanym adsorbentem (najlepiej w połączeniu z kriofokusowaniem) albo b) bezpośrednio w kapilarnej pułapce zimnej. Po zakończeniu wypłukiwania pułapkę ogrzewa się, desorbując lotne składniki, które gaz nośny GC przenosi na kapilarną kolumnę chromatograficzną (układ on-line lub off-line); dla wąskich pasm wprowadzania zaleca się kriofokusowanie przy pułapce adsorpcyjnej albo transfer przez dozownik z dzielnikiem ok. 20:1, jeśli czułość na to pozwala. Składniki rozdziela się w GC z programowaniem temperatury i wykrywa spektrometrem mas; dane zbiera się w trybie pełnego skanowania lub dla wystarczającej liczby fragmentów specyficznych, aby porównać z wzorcami; związek uznaje się za obecny po spełnieniu kryteriów załącznika D (najniższe stężenie identyfikacji: wybrany jon diagnostyczny o najniższej intensywności obecny przy stosunku sygnału do szumu > 3:1), a ilościowo oznacza z wybranych charakterystycznych fragmentów. Odczynniki: woda wolna od zanieczyszczeń (ISO 3696, z jednej partii na serię), metanol (lub DMF, DMSO, aceton) jako rozpuszczalnik wzorców, tiosiarczan sodu pentahydrat (ok. 100 mg/l) do usunięcia chloru lub ozonu, wodorosiarczan sodu do zakwaszenia do pH 2 (utrwalanie związków aromatycznych w wodach powierzchniowych), gaz wypłukujący — hel lub azot wysokiej czystości (ewentualnie wkład oczyszczający). Wzorce: roztwory podstawowe 2 mg/ml (ok. 200 mg każdego VOC w 100 ml rozpuszczalnika; najlepiej handlowe, certyfikowane), roztwory wzorców wewnętrznych 2 mg/ml (co najmniej jeden do ilościowania, dodatkowe jako surogaty; deuterowane tylko dla GC-MS — np. fluorobenzen, chlorobenzen-d5, 1,4-dichlorobenzen-d4, 1,4-difluorobenzen, toluen-d8), roztwory do wzbogacania (schemat rozcieńczeń w 100 ml rozpuszczalnika; 5 µl na 100 ml wody daje 0–5 µg/l), roztwory kalibracyjne (dodatek do wody w naczyniu do wypłukiwania; zawartość rozpuszczalnika organicznego w końcowym wzorcu ≤ 2 % obj.) oraz ślepa próba z niewzbogaconej wody; wzorce pośrednie przechowuje się w ok. 4 °C i przed użyciem ogrzewa do temperatury pokojowej. Aparatura purge-and-trap: autosampler, naczynie do wypłukiwania z płaszczem grzejnym, regulacją temperatury, zasilaniem gazem, regulacją przepływu i timerem, skraplacz lub układ suchego wypłukiwania, pułapka adsorpcyjna (szkło lub stal, śr. wewn. 2–5 mm, wypełnienie 10–50 mm, ≥ 90 mg adsorbentu polimerowego, węglowego lub krzemionkowego, kondycjonowana ≥ 30 min powyżej temperatury desorpcji w strumieniu gazu obojętnego, z próbą ślepą przed użyciem), urządzenie do desorpcji termicznej, pułapka zimna z chłodziwem i grzałką, GC-MS z układem danych. Próbki pobiera się wg ISO 5667-3 bezpośrednio do naczyń (najlepiej dwie próbki), napełniając bez turbulencji do przelania i zamykając bez przestrzeni gazowej; przy chlorze — tiosiarczan; nie rozcieńcza się próbek przekraczających zakres (straty przez odparowanie) — zamiast tego rozszerza kalibrację lub stosuje analizę headspace (ISO 10301, ISO 11423-1); analiza najlepiej w dniu poboru, nie później niż 5 dni, przechowywanie w ok. 4 °C bez światła w szczelnych naczyniach.

Zastosowania

• Woda do spożycia — BTEX, naftalen, chlorowane węglowodory alifatyczne i aromatyczne (THM, chlorek winylu, trichloroeten, tetrachloroeten)
• Wody podziemne przy stacjach paliw, składowiskach i zakładach chemicznych — monitoring skażeń VOC
• Wody powierzchniowe, morskie i rozcieńczone ścieki — metodyka referencyjna GC dla lotnych węglowodorów wg Dz.U. 2019 poz. 1311
• Analiza śladowa (do 10 ng/l) z GC-MS i wzorcami deuterowanymi; badania przesiewowe wielu analitów z jednego nastrzyku
• Laboratoria z automatycznymi układami purge-and-trap on-line i autosamplerem

Kluczowe parametry

Norma

Numer normy

PN-EN ISO 15680:2008 (ISO 15680:2003)

Tytuł (PL)

Jakość wody — Oznaczanie wybranych jednopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, naftalenu i niektórych związków chlorowanych metodą chromatografii gazowej z zastosowaniem techniki wypłukiwania i wychwytu (purge-and-trap) oraz desorpcji termicznej

Title (EN)

Water quality — Gas-chromatographic determination of a number of monocyclic aromatic hydrocarbons, naphthalene and several chlorinated compounds using purge-and-trap and thermal desorption

Procedura krok po kroku

1. Pobór i utrwalenie

   Pobierz wg ISO 5667-3 bezpośrednio do naczyń (najlepiej dwie próbki), napełniając bez turbulencji do przelania i zamykając bez przestrzeni gazowej; przy chlorze lub ozonie dodaj ok. 100 mg/l tiosiarczanu sodu; dla aromatów w wodach powierzchniowych obniż pH do 2 wodorosiarczanem sodu. Przechowuj w ok. 4 °C, bez światła, analizuj najlepiej w dniu poboru (≤ 5 dni). Nie rozcieńczaj próbek o wysokim stężeniu.

2. Przygotowanie pułapki i układu

   Kondycjonuj pułapkę adsorpcyjną ≥ 30 min powyżej temperatury desorpcji w strumieniu gazu obojętnego i wykonaj procedurę ślepą; upewnij się, że wszystkie elementy są ze stali lub szkła, bez zimnych punktów w linii transferowej; sprawdź czystość gazu wypłukującego i nośnego.

3. Wzorce i kalibracja

   Z roztworów podstawowych 2 mg/ml (analitów i wzorców wewnętrznych) sporządź roztwory wzbogacające wg schematu (np. 5 µl do 100 ml wody → 0–5 µg/l, rozpuszczalnik ≤ 2 % obj.); dodaj je do wody w naczyniu do wypłukiwania lub naczyniu autosamplera; zachowaj porcję wody jako ślepą kontrolną; sprawdzaj świeże wzorce wobec poprzednich.

4. Wypłukiwanie i wychwyt

   Do ustalonej objętości próbki dodaj roztwór wzorca wewnętrznego; wypłukuj ustaloną objętością helu/azotu w kontrolowanej temperaturze, zatrzymując VOC na pułapce adsorpcyjnej (z kriofokusowaniem) lub w kriopułapce; przy pienieniu (surfaktanty) natychmiast przerwij wypłukiwanie; osusz pułapkę przed desorpcją (ryzyko zablokowania lodem).

5. Desorpcja i GC-MS

   Ogrzej pułapkę i przenieś desorbowane składniki gazem nośnym na kolumnę kapilarną (on-line lub off-line; w razie potrzeby dzielnik ok. 20:1); rozdziel z programowaniem temperatury i rejestruj widma MS (full scan lub wybrane fragmenty).

6. Identyfikacja i ilościowanie

   Uznaj związek za obecny, gdy spełnia kryteria załącznika D (względne czasy retencji, jony diagnostyczne, S/N > 3:1); oblicz stężenia z wybranych fragmentów charakterystycznych względem wzorca wewnętrznego i funkcji kalibracyjnej (ISO 8466-1); monitoruj ślepe próby; próbki powyżej zakresu — rozszerzona kalibracja lub headspace (ISO 10301, ISO 11423-1).

Wymagany sprzęt i aparatura

Odczynniki, podłoża i materiały eksploatacyjne

Bezpieczeństwo i higiena pracy (BHP)

• Wzorce VOC (benzen, chlorowane węglowodory) są toksyczne i rakotwórcze — praca pod wyciągiem, rękawice, minimalne ilości
• Metanol i inne rozpuszczalniki — łatwopalne, toksyczne; laboratorium wolne od rozpuszczalników także ze względu na zanieczyszczenie próbek
• Ciekły azot/chłodziwo kriopułapki — ryzyko odmrożeń i niedotlenienia w małych pomieszczeniach
• Gorące elementy desorbera i dozownika GC — ostrożnie przy serwisie

Najczęstsze pytania