Пробопідготовка: історія розвитку та поточна ситуація

За останні 30 років в напрямку пробопідготовки було впроваджено багато нововведень, серед яких: сорбційна екстракція за допомогою мішалки (SBSE), екстракція QuEChERS, рідинна екстракція під тиском (PLE) та багато інших сучасних методів. Підготовка зразків є необхідною умовою для того, щоб відповідати сучасним тенденціям у хроматографії. Це стосується, зокрема, ширшого застосування мас-спектрометрії у поєднанні з хроматографічними методами, вдосконалення колонок (наприклад, у зв’язку з поширенням рідинної хроматографії надвисокого тиску — UHPLC), а також зростаючої потреби у високочутливих методах аналізу, як-от моніторинг перфторалкільних речовин (PFAS) у питній воді. Пропонуємо разом прослідкувати, як змінився напрямок за останні 30–40 років.

Перше дослідження, проведене у 1991 році, заклало основу для оцінки стану напряму підготовки проб. Воно дало обґрунтування подальших наукових пошуків і сприяло розвитку цієї сфери. Зокрема, Меджорс опитав дослідників щодо важливості етапу підготовки зразків — під яким мається на увазі сукупність усіх процесів від збору до безпосереднього аналізу. Переважна більшість опитаних (91%) визнали підготовку проб дуже або помірно важливою частиною аналітичного процесу. Минуло 32 роки. За цей час технології підготовки проб суттєво розвинулися: були запроваджені автоматизовані рішення та інші новітні досягнення. Незважаючи на це, хіміки й далі наголошують на значущості цього етапу. Сучасні методи дедалі більше орієнтовані на вирішення проблем вартості, ефективності, економії часу та зменшення використання розчинників, тож роль підготовки проб стала менш очевидною, хоча й не менш важливою. Автоматизація й нові технології дозволили суттєво скоротити час, необхідний для підготовки проб, зрівнявши його з тривалістю самого аналізу. Водночас помітним стало зростання відносного часу, який витрачається на збір зразків. Окрему увагу науковці почали приділяти екологічному впливу та безпеці розчинників, що використовуються у пробопідготовці. Щоб мінімізувати ці ризики, 39% дослідників застосовують безрозчинникові методи, як-от твердофазна мікроекстракція (SPME) чи термічна десорбція. Ще 30,8% обмежують використання традиційних водних або органічних розчинників. Близько 20,6% обирають прямий аналіз без підготовки зразків, а 9,6% використовують нетрадиційні розчинники, зокрема надкритичні або іонні рідини. Питання вибору екологічно безпечних розчинників буде докладніше розглянуто в наступному розділі статті.

Опитування, проведене у 1991 році, виявило три основні джерела аналітичних помилок: 

• обробка зразків (22,6%) 
• помилки оператора (17,1%) 
• забруднення (14,6%) 

Разом ці чинники становили понад половину (54,3%) усіх помилок у аналітичному процесі, причому більшість із них пов’язана з етапом підготовки зразка. Це підтверджує, що підготовка зразка — не лише найбільш трудомісткий, але й один із найкритичніших етапів аналізу. Для підготовки використовують розчинники, дериватизатори та інші хімічні речовини, що підвищує ризик випадкового внесення забруднень. Через три десятиліття ці самі джерела помилок залишаються актуальними. Однак на даний момент найбільший внесок у виникнення аналітичних помилок робить не підготовка, а калібрування. Водночас спостерігається позитивна динаміка: за останнє покоління частка помилок при обробці зразків зменшилася майже вдвічі. Це, ймовірно, пов’язано з більшим фокусом на якісну підготовку зразків, розвитком ефективніших методів і ширшим впровадженням автоматизації (докладніше про це в наступній частині статті). Збільшення автоматизації також може сприяти зменшенню людського фактора в аналітичному процесі. Найбільше занепокоєння сьогодні викликає ризик контамінації зразків, зважаючи на активне використання розчинників у більшості схем підготовки. Розчинники досі залишаються потенційними джерелами забруднень. Історично підготовка зразків вирізнялася високою вартістю, значною тривалістю, трудомісткістю та проблемами з відтворюваністю результатів. Також були поширені скарги на нестачу інформації про зразки, їхнє погане повернення та забруднення. У 2024 році основними проблемами, за результатами нового опитування, стали: 

• погане повернення зразків 
• недостатня відтворюваність результатів  
• складність їх інтерпретації 

Дещо менше респонденти відзначали високу вартість, трудомісткість, часові витрати та брак інформації про зразки. Цікаво, що за останнє десятиліття використання ручної праці та часу значно зменшилося — з 60,8% у 2013 році до 23,8% у 2023-му. Це може свідчити про поступ у впровадженні сучасних методів підготовки зразків. Водночас частка респондентів, які вказали на вартість (29,3% у 2013 р. проти 26,8% у 2023 р.), брак знань про зразок (22,7% проти 22,5%) та забруднення (12,4% проти 13,8%), практично не змінилася. Натомість помітно зросла кількість скарг на погане повернення зразків (з 27,6% до 37,6%) та недостатню відтворюваність (з 24,0% до 30,9%). Це може бути пов’язано з переходом до менших обсягів зразків або ускладненням їхніх матриць.

Під час кожного подібного дослідження збирається інформація про типи матриць зразків, які регулярно аналізуються. За останнє десятиліття спостерігаються суттєві зміни у частоті їх дослідження. Зокрема, частота аналізу деяких матриць знизилася. Це стосується фармацевтичних і безрецептурних препаратів (36,0% у 2013 році проти 23,3% у 2023 році), питної води (18,4% проти 14,9%), тваринних і біологічних тканин (20,9% проти 13,1%), фізіологічних рідин (18,4% проти 11,3%), стічних вод (17,6% проти 10,2%), розчинників (16,2% проти 10,9%) та органічних хімікатів (23,5% проти 15,3%). Натомість зросла частота аналізу таких матриць, як:

• повітря (8,9% у 2013 році проти 21,5% у 2023 році),
• полімери та мономери (16,7% проти 31,7%),
• рослини й біомаса (14,1% проти 31,3%),
• неорганічні хімікати (8,2% проти 24,0%),
• метали (7,8% проти 19,3%),
• ґрунти (11,8% проти 18,4%),
• харчові продукти та корми (11,5% проти 15,3%),
• зерно (7,1% проти 12,2%),
• косметика (6,6% проти 9,3%)
• і гази (4,7% проти 9,3%).

Окремо виділяється категорія «інші» зразки, до якої належать біодизель, заборонені наркотики, вибухові речовини, ароматизатори, ферментаційні бульйони, а також мед, яйця та молочні продукти.

Підвищена увага до підготовки проб у минулому призвела до серйозних змін у практиці аналітичної хімії в лабораторії. Було представлено поточний стан галузі разом із помилками, пов’язаними з підготовкою зразків і загальною інформацією про них.  Наступна частина матеріалу охоплюватиме розміри проаналізованих проб, використані лабораторні методи, автоматизацію та фази твердофазної екстракції.