Газожидкостная хроматография

Газожидкостная хроматография является основным аналитическим методом, применяющимся при анализе сложных смесей, в том числе бензинов и других светлых нефтепродуктов, а также различных составных растворителей, которые, являясь легковоспламеняющимися и горючими жидкостями, часто используются как инициаторы и ускорители горения при поджогах. Разделение остатков ЛВЖ (ГЖ) осуществляется на хроматографических колонках. Идентификация компонентов, позволяющая классифицировать исследуемую жидкость, производится на основании специальных газохроматографических параметров, так называемых параметров удерживания, которые устанавливаются путем анализа искусственно созданных смесей известных веществ.

Эффективность газохроматографического анализа определяется, в первую очередь, качеством хроматографической колонки, а также правильно выбранными условиями разделения. Разделение производится на насадочных или капиллярных колонках, при этом наилучшие результаты при анализе сложных смесей достигаются при использовании капиллярных колонок. Преимуществом насадочных колонок является сравнительная простота их приготовления, бóльшая экспрессность при проведении анализа, что часто делает их более предпочтительными, особенно при проведении массовых исследований. Качество насадочной колонки определяется верным выбором твердого носителя и стационарной жидкой фазы. В капиллярных колонках твердые носители не используются, а жидкая фаза наносится непосредственно на внутреннюю поверхность капилляра.

Главное назначение твердого носителя состоит в том, чтобы обеспечить достаточно большую и в то же время однородную поверхность, на которую равномерно наносится стационарная жидкая фаза. Для выполнения этих требований твердый носитель должен обладать развитой пористой структурой, оптимальный диаметр пор которой составляет величину порядка одного микрона. Часто твердый носитель используется без нанесения жидкой фазы, в этом случае разделение ком­понентов происходит непосредственно на его поверхности (ва­риант газоадсорбционной хроматографии). В настоящее время большин­ство анализов производится на твердых носителях, покрытых жидкой фазой в количестве от 1 до 10 % от веса носителя. При анализе углеводородных смесей, а также ряда полярных органических растворителей наилучшие результаты могут быть достигнуты с использованием диатомитовых твердых носителей Хромосорб Р, Хромосорб W, Хроматон N, Цветохром. Они изготавливаются из природных глин, содержащих в своем составе остатки панцирей одноклеточных организмов – диатомей и представляют из себя белые или розовые порошки с удельной поверхностью не менее 1000 м²/кг, объемом пор не менее 1100 см³/кг, обладающие высокой механической прочностью и термостойкостью.

В качестве стационарной жидкой фазы при анализе интересующих нас групп компонентов лучше всего использовать такие универсальные фазы, как Апиезон L, Апиезон М, представляющие из себя высоковакуумные смазки и имеющие средний молекулярный вес 1000 - 1300. Большое значение при анализе среднедистиллятных топлив имеет термическая стабильность жидкой фазы, поскольку анализ в данном случае ведется при высокой температуре нагрева колонки. У Апиезона L температурная граница стабильности около 300 ⁰С. Еще более высокую температуру нагрева можно использовать при применении в качестве стационарной фазы силиконовых эластомеров. Такими жидкими фазами универсального применения являются диметилсилоксановый каучук SE-30, полиметилфенилсилоксан OV-17, полидиметилсилоксан OV-101. Очень хорошо зарекомендовал себя метилтрифторпропилсилоксановый каучук СКТФТ. При анализе бензинов, когда необходимая температура нагрева колонки не превышает 150 ⁰С, успешно может быть применен высокомолекулярный нефтяной углеводород Сквалан.

Общие принципы и практические рекомендации по выбору твердых носителей и стационарных жидких фаз, их свойствам и области применения изложены в специальной литературе [97, 146].

Перечисленные выше и другие, используемые на практике, носители и стационарные фазы представляют достаточно широкие возможности для анализа горючих жидкостей и их остатков различной природы и степени выгорания. Нами, например, для исследования объектов, изъятых с места пожара, с конца 70-х годов успешно использовался Сквалан (при анализе остатков бензина) и Апиезон L при анализе керосина и дизельных топлив [62]. Использовать Сквалан для анализа среднедистиллятных топлив не удавалось из-за его ограниченной рабочей температуры – 120 ⁰С. Более удобны поэтому универсальные колонки, позволяющие анализировать остатки любых светлых нефтепродуктов. Такую колонку получали, используя неподвижную фазу OV-17 (3 %), нанесенную на твердый носитель Хроматон N-Super (фракция 0,125-0,160 мм). Универсальность данной фазы обусловлена широким диапазоном ее рабочих температур: 20-320 ⁰С. Разделение бензинов на колонке проводили сначала в изотермическом режиме (20 ⁰С в течение 5 мин), а затем в режиме линейного программирования со скоростью 5 град/мин в интервале температур 50-275 ⁰С. В случае, если устанавливается наличие в исследуемых пробах остатков среднедистиллятных топлив (керосина, дизельного топлива), анализ можно проводить сразу в режиме программирования температуры колонок от 90-100 до 275-300 ⁰С [62].

По данным ВНИИСЭ [98], разделение и анализ легких нефтепродуктов (бензинов) можно проводить также на насадочных колонках с высокополярной фазой – 1,2.3 – трицианэтоксипропаном (10 % р-р на Хроматоне). Хроматографирование проводят в изотермическом режиме при 130 ⁰С. При этом происходит групповое разделение парафино-наф­теновых и ароматических компонентов нефтепродукта между собой.

Классификация (установление типа и марки нефтепродукта по данным ГЖХ) обычно производится, исходя из углеводородного состава исследуемой пробы; в первую очередь, исходя из содержания нормальных алканов. Известно, например, что содержание нормальных алканов в ряду керосин – мазут возрастает от 45 до 85 %, а их состав изменяется – в пределах от С₃ - С₁₇ у бензинов до С₁₁ - С₃₅ у мазута (табл. 2.17).

 

Таблица 2.17

Состав н-алканов и их содержание в некоторых нефтепродуктах [99]

 

	Бензины	Керосины	Дизельное	Мазут
	Б-70	А-76	реактивный	осветит.	топливо
Состав	С5-С13	С3-С17	С6-С15	С7-С23	С7-С29	С11-С32
Содержание, %	-	-	45,2	47,3	50,3	85,1

 

В [100] отмечается, что "в остатках бензинов всегда обнаруживается ундекан (С₁₁), у керосинов и дизельных топлив -н-алканы: тридекан (С₁₃), тетрадекан (С₁₄), гептадекан (С₁₆), генэйкозан (С₂₁)". При хроматографическом анализе для того, чтобы установить вид светлого нефтепродукта, рекомендуется определять количественный состав н-па­рафинов с содержанием атомов углерода от С_m до С_n и кривую их распределения по количественному содержанию [89, 100]. Данные сведения весьма полезны для установления типа НП, особенно нативного, хотя нужно отметить, что слово "всегда" представляется в случае исследования остатков, изъятых с места пожара, чересчур категоричным.

Рис. 2.22. Хроматограммы нативных светлых нефтепродуктов 1 - бензин А-76; 2 - бензин Аи-93; 3 - керосин осветительный; 4 - дизельное топливо

На рис. 2.22 представлены хроматограммы светлых неф­тепро­дук­тов, полученные раз­­­­де­ле­ни­ем на фазе OV-17. Действите­ль­но, как вид­но из хроматограмм, в бен­­зинах из н-па­ра­финов присутству­ют, в основном, углеводороды от пен­­­тана С₅ до додекана С₁₂ включительно, в то время, как в среднеди­стиллятных топливах (ке­ро­син, дизельное топливо) в значительном коли­честве содержатся и более тяжелые углеводороды – от С₁₂ до С₂₀ – С₂₂.

Это различие, позволяющее устанавливать тип нефтепродукта (тяже­лый или легкий), сохраняется, как пра­вило, и после его выгорания или глубокого испарения (рис. 2.23, 2.24).

 

Рис. 2.23. Хроматограмма бензина А-76 и остатков его испарения из открытой емкости (капиллярная колонка; неподвижная фаза-Сквалан; изотерм. режим 100 0С): I - нативный бензин II - V - бензин после испарения (20-90 % масс.)

Рис. 2.24. Хроматограмма осветительного керосина и его выгоревших остатков (капиллярная колонка, неподвижная фаза-Апиезон L, программирование температуры со скоростью 3 град/мин, в пределах 100-250 0С). Степень выгорания % масс.: I - 0 (нативный); II - 38,5; III - 62,0; IV - 81,5; V - 98,5

Гораздо более сложной задачей является дифференциация между собой бензинов различных марок, а также выявление критериев, позволяющих отличить керосин от дизельного топлива. Для дифференциации последних в работе [61] предлагалось рассчитывать соотношение площадей пиков, соответствующих гептадекану и октадекану. При этом указывалось, что данное соотношение по мере изменения керосина и дизельного топлива практически остается постоянным. Нам, однако, при исследовании выгоревших и испаренных остатков осветительного керосина и дизельных топлив получить воспроизводимые результаты и обеспечить надежную дифференциацию по данному критерию не удалось [64, 65]. Таким образом, следует, вероятно, констатировать, что отличить выгоревшее или испаренное дизельное топливо от керосина сложно или невозможно. Эксперту в этом случае целесообразно ограничиться отнесением обнаруженного вещества к среднедистиллятному НП.

Дифференциацию бензинов по маркам можно проводить, учитывая, наряду с н-парафинами, содержание в пробе ароматических углеводородов – бензола, толуола, ксилолов, этилбензола. Содержание их в бензинах с различным октановым числом существенно отличается. Объемное отношение суммы ароматических углеводородов (бензола, толуола, смеси ксилолов и этилбензола), рассчитанное по площади пиков, к сумме алифатических углеводородов (гептан, октан, декан) обычно составляет: у бензина А-72 – 3,0 - 3,5; А-76 – 6,0 - 7,0; Аи-93 – около 10,0. Критерий этот, однако, применим при экспертном исследовании относительно малоизмененных образцов бензинов. При анализе выгоревших остатков он не во всех случаях приводит к правильным выводам.

Возможность использования методики установления марки бензина разделением пробы на высокополярной фазе [98] для анализа выгоревших и сильноиспаренных НП не изучалась.

Ряд нормальных алканов как признак сгорания на пожаре светлого нефтепродукта может быть обнаружен газохроматографическим анализом экстракта копоти (сажи), снятой с окружающих очаг конструкций. Преимущественно это углеводороды от С₁₁ -С₁₄ до С₂₅ и выше с преобладанием, обычно, С₂₁-С₂₅. Содержание этого ряда углеводородов характерно (см. рис. 2.25) как для экстрактов бензинов, так и для экстрактов среднедистиллятных топлив, хотя в исходных среднедистиллятных топливах их действительно много, а в нативных бензинах мало. Вероятнее всего, указанные углеводороды сорбируются сажей из газовой фазы при горении НП. Их абсолютное содержание в сажевых экстрактах будет зависеть от множества факторов, и прежде всего – условий горения на пожаре. Но в общем оно не велико. Даже при сжигании СНП в лабораторных условиях, в вытяжном шкафу, содержание углеводородов С₁₄- С₂₅ в копоти составляет при сгорании бензина А-95 – (3,6-11,4)×10^-1 % масс.; в копоти осветительного керосина – (4,6-26,2)×10^-1 % масс. В условиях реального пожара последующий нагрев сажи в ходе развития горения, разбавление ее сажей от сгорания других веществ и материалов неминуемо приведут к снижению содержания углеводородов на сажевых частицах. И если оно станет ниже уровня чувствительности метода ГЖХ, установление факта сгорания СНП, естественно, станет невозможным. Вот почему так важен целенаправленный отбор проб копоти именно в зоне конвективной струи из очага и как можно ближе к последнему.

Рис. 2.25. Хроматограмма экстрактов копоти

Как видно из приведенных выше данных, ме­тодом ГЖХ иссле­дуются, в основном, относительно легкие ком­­­поненты горю­чих жидкостей. Бо­­лее тяжелые, при­месные компоненты, например, по­­лиядерные аро­­ма­тические уг­лево­до­роды (ПАУ), присутствующие в неф­­­тепродуктах, обычно анализируются рассмотренными ниже методами тонкослойной хроматографии и флуоресцентной спектроскопии. Но можно исследовать тяжелые, т.е. лучше всего сохраняющиеся на пожаре, компоненты и методом ГЖХ. Эта задача успешно решается при экологических исследованиях окружающей среды - при определении наличия ПАУ в городской пыли, сточных водах, газовых выбросах различной природы [51, 96].

Хроматограмма ПАУ, приведенная на рис. 2.26, получена разделением на стеклянной капиллярной колонке длиной 50 м (фаза-поли­си­локсан SE-52, программирование температуры от 100 до 300 ⁰С со скоростью 2,5 град/мин).

При исследовании сложных смесей органических веществ различных классов эффективно используется сочетание газожидкостной хроматографии и масс-спектроскопии (хромато-масс-спектроскопии). Комбинация двух методов резко расширяет возможности идентификации веществ, входящих в состав смеси, и позволяет определять широкую гамму алифатических и ароматических углеводородов, фенолов, спиртов, альдегидов, кетонов, хлорированных углеводородов, карбоновых кислот, аминов и других веществ (например, при санитарно-экологических исследованиях воды и воздуха) [51, 96]. В отечественной практике при экспертизе пожаров хромато-масс-спектроскопия не нашла пока массового применения, видимо, прежде всего, из-за малой доступности аппаратурного оснащения. В последние годы, с поступлением в экспертные подразделения хромато-масс-спектрометров (см. раздел "Приборы и оборудование..."), ситуация начинает меняться к лучшему. Несомненна перспективность этого метода в решении многих задач криминалистической экспертизы материалов, веществ и изделий.

Рис. 2.26. Хроматограмма полиядерных ароматических углеводородов [102, приводится по 96]: 1 – нафталин; 2 – азулен; 3 – дифенил; 4 – цис-стильбен; 5 – аценафтен; 6 – флуорен; 7 – транс-стильбен; 8 – фенантрен; 9 – карбазол; 10 – антрацен; 11 – флуорантен; 12 – пирен; 13 – 1,2-бензфлуорен; 14 – 3-метилпирен; 15 – 1-метилпирен; 16 – бензо(м-,п-,о-) – флуорантен; 17 – 1,2-бензантрацен; 18 – хризен; 19 – нафтацен; 20 – 1,2-бензфлуорантен; 21 – 3,4-бензфлуорантен; 22 -1,2-бензпирен; 23 – 3,4-бензпирен; 24 – перилен; 25 – 1,3.5 - трифенилбензол; 26 – 1,2,5,6- дибензантрацен; 27 – 1,2,3,4- дибензантрацен; 28 – 1,12-бензперилен; 29 – 1,2,3,4- дибензпирен

В заключение приведем несколько примеров использования ГЖХ для обнаружения и исследования выгоревших остатков ЛВЖ (ГЖ) на объектах-носителях, изъятых с места пожара. Экспертизы, описанные ниже, были выполнены в начале 80-х годов и приводились нами в работе [62]. Полагаем, что нелишним будет привести их и здесь в качестве иллюстрации применения метода ГЖХ при экспертизе пожаров.

Пожар произошел на несколько специфическом объекте – вытрезвителе города Волхова Ленинградской области. Среди ночи внезапно загорелось крыльцо и входной тамбур вытрезвителя – деревянного одноэтажного здания.

В очаге (в тамбуре) доски пола были обуглены практически полностью, поэтому пробу на ЛВЖ отбирали под полом; на исследование была взята проба грунта. Была представлена на экспертизу и емкость с остатками неизвестной жидкости, обнаруженная неподалеку от места пожара.

Пробы исследовали методом ГЖХ в капиллярных колонках со Скваланом. В пробе грунта из-под крыльца были найдены значительные количества углеводородов – от С₅ до С₂₅, включительно. Сравнение с хроматограммой бензина А-76 позволило сделать вывод, что в емкости содержится именно этот бензин – А-76, а в грунте – его остатки.

Выше, в подразделе 2.2, отмечалось, что ткани прекрасно сохраняют остатки горючих жидкостей даже в обгоревшем состоянии. В этом их существенное отличие от менее пористых материалов, например, древесины. Приведем два примера, связанных с исследованием обгоревших изделий из тканей, с целью обнаружения в них остатков ЛВЖ (ГЖ).

Первый пожар связан с поджогом административного здания комбината строительных материалов. На месте пожара были обнаружены обгоревшие брезентовая рукавица и факел (пакля, намотанная на стальную проволоку). Подозрительное пятно – вертикальный потек на обоях размером 5´10 см – был найден у окна, в которое, по всей вероятности, факел был заброшен. Все указанные объекты были изъяты и представлены на экспертизу. У факела и рукавицы, несмотря на обгорание, имелся явный запах нефтепродукта; от куска обоев запах не ощущался. Пробы объектов – носителей экстрагировали диэтиловым эфиром, фильтровали, концентрировали, а экстракты анализировали методом капиллярной ГЖХ (неподвижная фаза – Апиезон L). И во всех трех объектах был обнаружен гомологический ряд алканов от С₉ до С₂₅. Углеводороды С₉-С₁₁ отсутствовали лишь в обоях (рис. 2.27). В результате исследования был сделан вывод – все исследованные объекты содержат остатки среднедистиллятного топлива – дизельного или керосина.

Рис. 2.27. ГЖ-хроматограмма экстрактов объектов-носителей (неподвижная фаза – Апиезон L): 1 – пакли от факела; 2 – куска обоев; 3 – рукавицы

Вторая экспертиза была связана с поджогом двери квартиры жилого дома и уже упоминалась выше, в подразделе 2.2. На исследование был представлен сильнообгоревший матерчатый коврик, лежавший во время пожара под подожженой дверью.

Обгоревший матерчатый коврик круглой формы (диаметром около 50 см) был пропитан водой, имел запах гари и слабый запах нефтепродукта. Из нескольких точек его ножницами вырезали кусочки (пробы) общей массой около 20 грамм и экстрагировали в колбе при встряхивании последовательно 3 порциями н-пентана, каждая объемом 100 мл. Пентановые вытяжки объединяли и затем отгоняли пентан на полумикроректификационной колонке. Полученный экстракт анализировали методами ГЖХ и ТСХ. Метод ТСХ подтвердил наличие в экстракте остатков нефтепродуктов. Газохроматографическим методом в исследуемом экстракте были обнаружены значительные количества углеводородов от С₅ до С₂₅, включительно. Полученная хроматограмма была идентична хроматограмме бензина А-76 (рис. 2.28).

Рис. 2.28. ГЖ-хроматограммы (неподвижная фаза – Апиезон L): 1 - пентанового экстракта коврика; 2 - бензина А-76

На основании выполненных исследований эксперты пришли к следующему выводу: в представленном объекте содержатся остатки бензина А-76. Марка бензина подтверждалась и соотношением ароматических и алифатических компонентов в пробе. Наличие остатков бензина, причем в значительном количестве, однозначно указывало на факт поджога. Впоследствии преступник был задержан и сознался в поджоге.

В заключение приведем пример пожара, произошедшего в синагоге еврейского кладбища Ленинграда в начале 80-х годов. Злоумышленником был подожжен купол здания – деревянные конструкции чердачного помещения. А сам факт поджога был установлен следующим образом. Специалист, исследовавший место пожара, вскрыл обгоревший порог при входе в чердачное помещение и почувствовал слабоуловимый запах какого-то органического вещества. Проба засыпки пола из-под порога и соскоб доски порога были направлены на исследование. Первая проба, когда ее в лаборатории извлекли из упаковочной тары, имела характерный запах органического растворителя, содержащего сложноэфирные компоненты; при исследовании второго объекта запах не ощущался.

Часть отобранных на исследование проб (по 150 грамм каждая) за­гружали в колонку для фронтального элюирования и извлекали 30 миллилитрами пентана. Полученные пентановые экстракты фильтровали и концентрировали на полумикроректификационной колонке до остатка в кубе 2-3 мл. Сконцентрированные растворы исследовали методом ИК- спект­роскопии на спектрофотометре "Perkin-Elmer 599B" и методом ГЖХ на хроматографе "Цвет – 104" с ионизационно-пламенным детектором.

Рис. 2.29. ИК-спектры проб: 1 – засыпка пола; 2 – сосновая доска порога; 3 – экстрагент (пентан)

Методом ИК-спект­роскопии в пентановых экстрактах исследуемых объектов обнаружили полосу при 1780 см^-1, характерную для карбонилсодержащих соединений (рис. 2.29). Наиболее интенсивна она была в спектре пробы засыпки пола. Это позволило предположить присутствие в вещественных доказательствах органического растворителя, содержащего кетоны или сложные эфиры. Такое предположение согласовывалось и с данными органолептического исследования.

Методом ГЖХ было установлено, что неизвестный растворитель состоит из четырех компонентов (рис. 2.30), которые по индексам удерживания были идентифицированы как бутанол, толуол, бутилацетат и этилацетат.

Рис. 2.30. ГЖ-хроматограмма: 1 - экстракт засыпки пола; 2 - модельная смесь

В экстракте засыпки пола порога первые три компонента содер­жались в значительных количествах. Такой состав характерен для растворителей нитрокрасок и эмалей, в частности, для растворителя № 647. Последний ремонт и окраска ку­пола синагоги производились более чем за 10 лет до пожара и наличие под порогом "све­жего" растворителя явно свидетельствовало о поджо­ге с применением растворителя как инициатора горения.

 

⇐ Предыдущая45464748495051525354Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: