Анализ органических примесей на всех ступенях производства сверхчистой воды

Наука и технология

Записная книжка Отдела лабораторных систем очистки воды компании Millipore

Выпуск RD005

Анализ органических примесей на всех ступенях производства сверхчистой воды

Daniel Darbouret(1), Thomas Stone(2)

(1)   Research & Development, Laboratory Water Division, Millipore S.A., Saint-Quentin-en-Yvelines, France.

(2)   Research & Development, Analytical Lab, Millipore Corp, USA.

Перевод Яловеги В.М.

Ключевые слова: сверхчистая вода, органические примеси, обращённая фаза, выделение в УФ диапазоне, базовая линия.

Краткий обзор. В Высокоэффективной Жидкостной Хромографии (ВЭЖХ) особое значение отводится качеству и чистоте растворителей. Именно эти реагенты влияют на конечные результы экспериментов. Количественные и качественные характеристики исследуемых образцов зависят в значительной степени от предела обнаружения или базовой линии.

В приведённых ниже работах в качестве реагента использовалась сверхчистая вода. Содержание органических примесей измерялось на всех ступенях её очистки. В эксперименте было использовано оборудование, позволившее очистить воду от органических примесей до следовых уровней  и исключить их влияние на чувствительность обращённой фазы.

Введение

Известно, что на достоверность получаемых с помощью ВЭЖХ анализов влияют главным образом пределы обнаружения оборудования и качество используемых растворителей1. Во всех методиках, основанных на измерении физических свойств, предъявляются свои требования к обращённой фазе и к качеству сверхчистой воды, которые и влияют на пределы обнаружения2. Широкое распространение в жидкостной хроматографии получила сепаративная методика, основанная на комбинации обращённой фазы и выделения в ультрафиолетовом диапазоне3,4,5. Для мобильной фазы обычно применяются различные органические растворители, такие как метанол, ацетонитрил, тетрагидрофуран и вода. Так как при изменении мобильной фазы изменяются условия адсорбции в хроматографической колонке, важное значение приобретает оптимизация мобильной фазы6.

В настоящей работе приведены результаты исследований по удалению органических загрязнений на всех ступенях очистки воды, и описаны технические решения, позволяющие значительно повысить стабильность производства сверхчистой воды.

Почти все органические молекулы поглощают излучение в УФ диапазоне. В продаже имеется достаточное количество  растворителей для жидкостной хроматографии. Для УФ датчиков используются растворители, позволяющие получить низкий фоновый уровень. На длинах волн более 240 нм, интерференция растворителя опускается ниже критического уровня, чем в широком УФ диапазоне (190 – 230 нм), где поглощается незначительное количество примесей.

При переходе от 100% содержания воды к 100% содержанию органического растворителя присутствующие в воде примеси создают на хроматограмме дополнительные пики, главным образом в начале градиента. Теневые пики появляются из-за содержания органических примесей в растворителе.

Для производства воды с предельно низким содержанием органических примесей используется комбинация из  нескольких технологий очистки воды. В настоящее время для оценки качества сверхчистой воды используется широко распространённый и достаточно объективный параметр: её удельное сопротивление. Однако этот параметр не учитывает наличия в воде органических примесей. Было доказано, что в воде с удельным сопртивлением 18,2 Мом.см может присутствовать достаточно высокая концентрация органических контаминантов7.

Использование различных типов воды в жидкостной хроматографии 

Вопрос о качестве воды возникает с появлением плохих базовых линий, в особенности, на длине волны 254 нм, при которой наблюдается наибольшая абсорбция органических примесей. В качестве примера рассмотрим градиент бланка без инъекции образца. На начальном этапе раствор состоял на 100 % из воды и подавался насосом в течение четырёх минут и в последствии доводился до 100 % концентрации ацетонитрила. Общее время эксперимента состовляло 20 минут. Аналогичная процедура была проведена с исследуемой водой, содержащей примеси. Но начальный этап составлял 36 минут. Из приведённых двух кривых на Рисунке 1 видно значительное превышение одного из пиков на верхней хроматограмме. Во всех экспериментах были использованы колонки С18. На Рисунке 2 приведены хроматограммы, полученные из обычной лабораторной воды. Где градиент был доведён до 100% концентрации ацетонитрила. Измерения проводились на двух длинах волн 214 и 254 нм. Как видно из Рисунка 2, по всей хроматограмме распределены пики воды, и два пика относятся к ацетонитрилу. Очевидно такая вода не пригодна ни для изократического, ни для градиентного методов ВЭЖХ. Аналогичные испытания были выполнены для воды тройной перегонки. Первые пики (Рисунок 3) относятся к воде, а два последних – к ацетонитрилу. И как видно из рисунка, даже воду тройной перегонки нельзя использовать для ВЭЖХ.

Можно предположить, что пик появился в следствие примесей, содержащихся в воде, и не связан с ацтонитрилом. Если исследуемый пик выходит одновременно с пиком контаминанта, то возникает количественная ошибка анализа. Пики контаминантов накладываются на пики растворов. На следующих трёх рисунках приведены хроматограммы, полученные с использованием воды нескольких типов. В последнем эксперименте использова-лась вода, очищенная по технологии обра-тного осмоса (Рисунок 4). Как и в предыду-щем случае, первые пики связаны с водой, а два последних – с ацетонитрилом. Но здесь появился высокий остаточный фон. Проведённые исследования убедительно показали, что ни лабораторную воду, ни воду тройной перегонки, и даже воду, очищенную по технологии обратного осмоса нельзя использовать в ВЭЖХ.

Описание эксперимента

Система очистки воды

Для производства сверхчистой воды, свободной от органических примесей и пригодной для хроматографических исследований, используется многоступенчатая линия, включающая несколько технологий очистки воды8,9. Линия состоит (Рисунок 5) из двух систем и промежуточного резервуара. В первой системе вода проходит первичную обработку с использованием технологий обратного осмоса и электродеионизации и затем накапливается в резервуаре ёмкостью 60 литров. Резервуар отвечает всем требованиям по хранению очищенной воды10. Вторая система производит сверхчистую воду и объединяет три технологии: поглощение на активированном угле, ионный обмен и ультрафиолетовое фотоокисление. На Рисунке 5 указаны точки отбора образцов воды.

Условия эксперимента

Оборудование и материалы

В эксперименте было использовано следующее оборудование и материалы.

Насосы ВЭЖХ с производительностью: 2,0 мл/мин.

Компьютер для сбора даных.

Инжектор на 100, 200 и 250 мкл.

Датчики  длиной волн 214 и 254 нм

(Waters Corp, Milford, Mass, USA).

Колонки Waters mBondapakâ C-18,

3.9 x 300 мм (№ 27324) и Guard-PakÔ (№Т33552)

Растворители:

Сверхчистая вода системы Milli-Qâ компании Millipore

Ацетонитрил (категории HPLC: J.T.Baker JT9017 или эквивалентый)

Посуда промылась 10% раствором азотной кислоты и затем в потоке сверхчистой водой системы Milli-Q.


Градиент ВЭЖХ

Для градиента применялись образцы воды по 50 мл. Точки отбора показаны на Рисунке 5. В работе не анализировалась водопроводная вода и вода, отводимая в канализацию с мембраны обратного осмоса.

Продолжительность сбора данных во всех случаях равнялась 14 минутам при скорости 4 точки в секунду. Разрешение превышало 20 бит.

Хроматограммы сравнивались на всех ступенях очистки воды и при различных технических условиях систем.

Время (мин)

Скорость (мл/мин)

Вода (%)

Ацетонитрил (%)

0,0

2,0

100

0

2,0

2,0

100

0

12,0

2,0

0

100

15,0

2,0

0

100

19,0

2,0

100

0

25,0

2,0

100

0

Обсуждение результатов

Промывка новых расходных материалов

Отмывка новой мембраны обратного осмоса

Мембраны обратного осмоса и картриджи сверхвысокой очистки воды обработаны консервантами. Программное обеспечение всех современных систем обязательно включает процедуру отмывки картриджей. Программа выполняется автоматически после их замены. Промываемый поток отводится в канализацию и не проникает на последующие ступени очистки.

Рециркулируемая вода гидратировала среду картриджа и смывала остатки примесей в канализацию. Через 6 часов после замены картриджа система была переведена в режим производства, и была произведена повторная промывка картриджа в течение 5 минут. Описанная выше процедура позволила снизить содержание органических примесей и воздуха в картридже до следовых уровней. Как видно из приведённых на Рисунке 7 хроматограмм, сверхчистая вода идеально подходит для органических.

В настоящей работе исследовались образцы воды на продуктовом и канализационном выходах картриджа обратного осмоса. На Рисунке 6 приведены хроматограммы, снятые через 2 и 13 дней после отмывки картриджа от консерванта. Как видно из рисунков, через 30 минут после включения программы отмывки на обоих выходах мембраны присутствовало достаточно большое количество органических примесей, и через 2 часа их содержание опустилось ниже критического уровня. Оставшиеся контаминанты уже не влияли на дальнейшие процессы очистки воды.

Промывка новых картриджей сверхвысокой очистки воды

В следующей работе было измерено содержание органических примесей на выходе системы сверхвысокой очистки воды. После установки нового картриджа автоматически включалась программа отмывки и дегазации. Вода отводилась в

канализацию в течение 5 минут. Затем система была оставлена на 6 часов в дежурном режиме. В течение этого  периода через каждый час автоматически включалась программа рециркуляции, занимавшая 5 минут. 


















анализов ВЭЖХ. На первых четырёх хроматогаммах приведены анализы, выполненные на разных этапах замены картриджа. На последней хроматограмме изображена базовая линия через 20 дней после замены картриджа.

Хроматографический анализ на всех ступенях очистки воды

В приведённой работе было наглядно продемонстрировано снижение органических примесей на всех ступенях очистки. И хотя методика анализа не позволила выявить качественные изменения органических примесей на отдельных ступенях, были получены прекрасные количественные результаты (Рисунок 8). Можно утверждать, для органического анализа ВЭЖХ необходимо использовать только сверхчистую воду, полученную комбинацией нескольких технологий.

Заключение

Примеси, содержащиеся в мобильной фазе и в воде, затрудняют анализы Высоко-Эффективной Жидкостной Хроматографии.

  • Пики контаминантов накладываются на пики исследуемых материалов.
  • Контаминанты загрязняют и в конечном итоге “убивают” колонки.
  • Растворы стандартов, приготовленные из загрязнённой воды, снижают точность анализов.

Огромное количество работ убедительно доказало зависимость анализов от качества используемой воды и условий её хранения:

при хранении сверхчистой воды резко падает качество базовых линий11. Были предприняты попытки улучшить пределы обнаружения при помощи боле чувствительных методов детектирования12,13,14.

Мобильные фазы в RP-HPLC в основном содержат буферные соли, органические модификаторы и довольно часто агенты с ионными парами для селективного воздействия. Ко всем перечисленным агентам и к воде предъявляются очень высокие требования по химической чистоте материалов.

Линия для производства сверхчистой воды объединяет несколько технологий: предварительную очистку, обратный осмос, электродеионизацию, ионный обмен и УФ фотоокисление. Все системы линии работают в автоматическом режиме и предельно просты в обслуживании. 

Сверхчистая вода идеально подходит для высокочувствительных органических анализов. Системы сверхвысокой очистки снабжены регистраторами для измерения общего содержания органического углерода15.

Литература

  1. Verity, I.; “Solvent Purity and the Individual Requirements of Different HPLC Detectors” LC-GC INT., Volume 8, Number 11, 652-655, 1995
  2. Miyabe, K.; Takeushi, S.; “Effect of Acetonitrile/Water Mobile Phase Composition on Adsorption Characteristics of Reversed Phase Liquid Chromotography” Analytical Chemistry, V69, 2567-2574, 1997
  3. Tanaka, M.; Yamazaki, H.; “Direct Determination of Pantoprazole Enantiomers in Human Serum by Reversed-Phase High-Performance Liquid Chromatography Using a Cellulose-Based Chiral Stationary Phase and Column Switching System as a Sample Cleanup Procedure” Analytical Chemistry, Volume 69, Number 9, 1513-1516, 1996
  4. Kuangjing Shao, L.; Locke, D.C.; “Determination of Paclitaxel and Ralated Taxanes in Bulk Drug and Injectable Dosage Forms by Reversed Phase Liquid Chromotography” Analytical Chemistry, Volume 69, Number 11, 2008-2016, 1997
  5. Corran, P.H.; “Reversed phase chromotography of proteins” in HPLC of Macromolecules. A practical approach. (ed. Oliver, R.W.A.) IRL Press, Oxford, 120-156, 1989
  6. McCown, S.M., Southern, D.; Morrison, B.E.; “Solvent properties and their effects on gradient elution high-performance liquid chromotography. III Experimental findings for water and acetonitrile” Journal of Chromatography, 352, 493-509, 1986
  7. Darbouret, D.; Ishi, N.; Kanazawa, M.; Kano, I.; “Impact of feed water quality on the production of ultrapure water” The R&D Notebook, Millipore RD004 (2000)
  8. Denoncourt, J.P.; Egozy, Y.; “Trace-lever Analysis of High of Purity Water Part III: High Performance Liquid Cromotography” Ultrapure Water January/February 1987
  9. Anantharaman, V.; Parekh, B.; Hegde, R.; “Detection and Characterization of Organic in Semiconductor DI Water Process” Ultrapure Water 11(3), 30-36, 1994
  10. Darbouret, D.; Kano, I.; Youf, E.; Stewart, B.; “Optimizing Storage of prified water for Laboratory  Applications” The R&D Notebook, Millipore RD001 (1998)
  11. Gabler, R.; Hegde, R.; Hughes, D.; “Degradation of High Purity Water on Storage” Journal of liquid Cromotography, 6(13), 2565-2570
  12. Achilli, G.; Cellerino, G.P.; Melzi d'Eril, G.; ”Simultaneous determination of 27 phenols and herbicides in water by high-performance liquid chromotography with multielectrode electrochemical detection” Journal of  Cromotography A, 697, 357-362, 1995
  13. Coquart, V.; Hennion, M.C.; “Determination of Chlorotriazines in Aqueous Environmental Samples of the ng/l Level Using Preconcentration with a Cation Exchanger and On-Line High-Performance Liquid Cromotography” Journal of  Cromotography 585, 67-73, 1991
  14. Somsen, G.W.; Hooyschuur, E.W.J.; Gooijer, C.; Brinkman, U.A.Th.; Velthorst, N.H.; Visser, T.; “Coupling of Reversed Phase Liquid Column Chromatography and Fourrier Trasform Infratred Spectrometry Using Postcolumn On-Line Extraction and Solvent Elimination” Analitical Chemistry, 68 (5), 746-752, 1996
  15. Clark, K.; Retzik, M.; Darbouret, D.; ”Measuring TOC to maintain high-purity water” Ultrapure Water 14 (2), pp 21-24 (1997)

Lit № RD005EN00. Отпечатано во Франции 03/03. Copyright ã 2003 Millipore Corporation.
Millipore, Milli-Q – зарегистрированные торговые знаки Millipore Corporation.
WATERS & BONDAPAK, Guard-Pak - зарегистрированные торговые знаки Waters Corporation.
J.F.Baker - зарегистрированный торговый знак MALLICKRODT BAKER, INC.
Авторские права зарегистированы.