Пробоподготовка: история развития и текущая ситуация

За последние 30 лет в области пробоподготовки было внедрено много нововведений, среди которых: сорбционная экстракция с помощью мешалки (SBSE), экстракция QuEChERS, жидкостная экстракция под давлением (PLE) и многие другие современные методы. Подготовка образцов является необходимым условием для того, чтобы соответствовать современным тенденциям в хроматографии. Это касается, в частности, широкого применения масс-спектрометрии в сочетании с хроматографическими методами, совершенствования колонок (например, в связи с распространением жидкостной хроматографии сверхвысокого давления – UHPLC), а также растущей потребности в высокочувствительных методах анализа, например мониторинг перфторалкильных веществ (PFAS) в питьевой воде.

Предлагаем вместе проследить, как изменилось направление за последние 30-40 лет.

Первое исследование, проведенное в 1991 году, заложило основу для оценки состояния направления подготовки проб. Оно дало обоснование дальнейших научных поисков и способствовало развитию этой сферы. В частности, Меджорс опросил исследователей относительно важности этапа подготовки образцов – под которым подразумевается совокупность всех процессов от сбора до непосредственного анализа. Подавляющее большинство опрошенных (91%) признали подготовку проб очень или умеренно важной частью аналитического процесса.

Прошло 32 года. За это время технологии подготовки проб существенно развились: были введены автоматизированные решения и другие новейшие достижения. Несмотря на это, химики продолжают подчеркивать значимость этого этапа. Современные методы все больше ориентированы на решение проблем стоимости, эффективности, экономии времени и уменьшения использования растворителей, поэтому роль подготовки проб стала менее очевидной, хотя и не менее важной.

Автоматизация и новые технологии позволили существенно сократить время, необходимое для подготовки проб, сравняв его с продолжительностью самого анализа. В то же время заметным стал рост относительного времени, затрачиваемого на сбор образцов.

Отдельное внимание ученые начали уделять экологическому воздействию и безопасности растворителей, используемых в пробоподготовке. Чтобы минимизировать эти риски, 39% исследователей применяют безрастворные методы, такие как твердофазная микроэкстракция (SPME) или термическая десорбция. Еще 30,8% ограничивают использование традиционных водных или органических растворителей. Около 20,6% выбирают прямой анализ без подготовки образцов, а 9,6% используют нетрадиционные растворители, в частности сверхкритические или ионные жидкости. Вопрос выбора экологически безопасных растворителей будет подробнее рассмотрен в следующем разделе статьи.

Опрос, проведенный в 1991 году, выявил три основных источника аналитических ошибок: 

• обработка образцов (22,6%) 
• ошибки оператора (17,1%) 
• загрязнение (14,6%) 

Вместе эти факторы составляли более половины (54,3%) всех ошибок в аналитическом процессе, причем большинство из них связано с этапом подготовки образца.

Это подтверждает, что подготовка образца – не только наиболее трудоемкий, но и один из самых критических этапов анализа. Для подготовки используют растворители, дериватизаторы и другие химические вещества, что повышает риск случайного внесения загрязнений. Спустя три десятилетия эти же источники ошибок остаются актуальными. Однако на данный момент наибольший вклад в возникновение аналитических ошибок вносит не подготовка, а калибровка.

В то же время наблюдается положительная динамика: за последнее поколение доля ошибок при обработке образцов уменьшилась почти вдвое. Это, вероятно, связано с большим фокусом на качественную подготовку образцов, развитием более эффективных методов и более широким внедрением автоматизации (подробнее об этом в следующей части статьи). Увеличение автоматизации также может способствовать уменьшению человеческого фактора в аналитическом процессе.

Наибольшее беспокойство сегодня вызывает риск контаминации образцов, учитывая активное использование растворителей в большинстве схем подготовки. Растворители до сих пор остаются потенциальными источниками загрязнений.

Исторически подготовка образцов отличалась высокой стоимостью, значительной продолжительностью, трудоемкостью и проблемами с воспроизводимостью результатов. Также были распространены жалобы на недостаток информации об образцах, их плохое возвращение и загрязнение.

В 2024 году основными проблемами, по результатам нового опроса, стали: 

• плохой возврат образцов 
• недостаточная воспроизводимость результатов  
• сложность их интерпретации 

Несколько меньше респонденты отмечали высокую стоимость, трудоемкость, временные затраты и недостаток информации об образцах.

Интересно, что за последнее десятилетие использование ручного труда и времени значительно уменьшилось – с 60,8% в 2013 году до 23,8% в 2023-м. Это может свидетельствовать о прогрессе во внедрении современных методов подготовки образцов. Вместе с тем доля респондентов, указавших на стоимость (29,3% в 2013 г. против 26,8% в 2023 г.), недостаток знаний об образце (22,7% против 22,5%) и загрязнение (12,4% против 13,8%), практически не изменилась.

Зато заметно возросло количество жалоб на плохой возврат образцов (с 27,6% до 37,6%) и недостаточную воспроизводимость (с 24,0% до 30,9%). Это может быть связано с переходом к меньшим объемам образцов или усложнением их матриц.

Во время каждого подобного исследования собирается информация о типах матриц образцов, которые регулярно анализируются. За последнее десятилетие наблюдаются существенные изменения в частоте их исследования.

В частности, частота анализа некоторых матриц снизилась. Это касается фармацевтических и безрецептурных препаратов (36,0% в 2013 году против 23,3% в 2023 году), питьевой воды (18,4% против 14,9%), животных и биологических тканей (20,9% против 13,1%), физиологических жидкостей (18,4% против 11,3%), сточных вод (17,6% против 10,2%), растворителей (16,2% против 10,9%) и органических химикатов (23,5% против 15,3%).

Зато возросла частота анализа таких матриц, как:

• воздух (8,9% в 2013 году против 21,5% в 2023 году),
• полимеры и мономеры (16,7% против 31,7%),
• растения и биомасса (14,1% против 31,3%),
• неорганические химикаты (8,2% против 24,0%),
• металлы (7,8% против 19,3%),
• почвы (11,8% против 18,4%),
• пищевые продукты и корма (11,5% против 15,3%),
• зерно (7,1% против 12,2%),
• косметика (6,6% против 9,3%)
• и газы (4,7% против 9,3%).

Отдельно выделяется категория «другие» образцы, к которой относятся биодизель, запрещенные наркотики, взрывчатые вещества, ароматизаторы, ферментационные бульоны, а также мед, яйца и молочные продукты.

Повышенное внимание к подготовке проб в прошлом привело к серьезным изменениям в практике аналитической химии в лаборатории. Было представлено текущее состояние отрасли вместе с ошибками, связанными с подготовкой образцов и общей информацией о них. 

Следующая часть материала будет охватывать размеры проанализированных проб, использованные лабораторные методы, автоматизацию и фазы твердофазной экстракции.