Характеристика, классификация и химические основы тест-систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В различных аналитических лабораториях нашей страны специалисты ежегодно выполняют не менее 100 млн. анализов качества воды, причем 23 % определений заключается в оценке их органолептических свойств, 21 % -- мутности и концентрации взвешенных веществ, 21 % составляет определение общих показателей -- жесткости, солесодержания, ХПК, БПК, 29 % -- определение неорганических веществ, 4 % -- определение отдельных органических веществ. Значительное количество анализов выполняют санитарно-эпидемиологические службы.

Результаты анализов показывают, что в химическом отношении опасной для здоровья являются каждая четвертая проба, в бактериальном -- каждая пятая. Необходимо отметить также, что стоимость комплексного анализа качества питьевой воды за рубежом составляет около 1100 долларов.

По нормативам качества, определяющим наличие и допустимые концентрации примесей, воды различают как питьевую, природные воды (водоемов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения) и сточные воды (нормативно-очищенные, стоки неизвестного происхождения, ливневые).

Упрощение и удешевление средств химического анализа - всегда благо, но решение многих аналитических задач пока требует сложных и дорогих методов и приборов. К счастью, успехи ряда областей химии, физики, электроники, а также математики обеспечивают возможность создания средств анализа, всё более миниатюрных, недорогих и лёгких с точки зрения использования и в то же время сопоставимых по своим аналитическим характеристикам с современными инструментальными методами. Тест-системы, несомненно, могут быть отнесены к таким средствам. Потребность в тест-наборах весьма значительна. Уже создано много тест-систем разного типа и разного назначения, в основе которых лежат чувствительные и селективные химические реакции и результат анализа может быть получен либо визуально, либо путём простейших измерений (длина окрашенной зоны, число капель), либо с использованием миниприборов, также весьма простых в использовании. Хотя тест-методы используют в лаборатории, в частности для скрининга проб, наиболее целесообразно применять их во внелабораторных условиях (on-site), тем более что on-site анализ представляет собой важное и весьма перспективное направление химии.

Основными областями использования тест-систем являются или могут быть:

· контроль объектов окружающей среды, определение важнейших нормируемых компонентов в воде, почвенных вытяжках, воздухе (прежде всего в полевых условиях);

· контроль за качеством пищи, в том числе питьевой воды и напитков, главным образом с точки зрения наличия вредных веществ;

· анализ крови, мочи, пота для целей медицины, в том числе в домашних условиях;

· решение задач криминалистики, охраны порядка, военной сферы (наркотики, алкоголь, взрывчатые вещества, отравляющие вещества);

· контроль в промышленности, на транспорте, например обнаружение утечек газа;

· обучение химии, экологии и др. дисциплинам в школе и других учебных заведениях.

Для разработки надёжных, чувствительных и селективных тестов используют достижения классической аналитической химии (реакции и реагенты). Однако, ещё более важным является поиск новых подходов.



Характеристика, классификация и химические основы тест-систем

В современном мире химические тесты широко используются в экологической, промышленной, клинической или криминальной сферах и обеспечивают возможность простого и недорогого анализа - качественного, полуколичественного и количественного.

Тест - системы для химического анализа представляют собой простые, портативные, лёгкие и дешёвые аналитические средства и соответствующие экспрессные методики для обнаружения и определения веществ без существенной пробоподготовки (иногда без отбора проб), без использования сложных стационарных приборов, лабораторного оборудования, без самой лаборатории, без сложной обработки результатов, а также подготовленного персонала; в большинстве случаев применяют автономные средства однократного использования [1].

В книгах по истории химии можно найти множество примеров испытания веществ, которые приводились в сущности тест-методами. К тест-методам относится большое число химических методов качественного обнаружения веществ. Некоторые такие методы известны с незапамятных времён. Плиний Старший (23-79 гг. до н.э.) писал, что для обнаружения железа в уксусе римляне применяли экстракт дубильных орешков, которым пропитывали папирус. Этот же экстракт позволял отличать сульфат железа от сульфата меди; появление чёрной окраски говорило о присутствии железа, зелёной - о наличии меди. Обнаружение железа с помощью экстракта дубильных орешков использовали очень длительное время. В 17 веке Роберт Бойль, помимо экстракта дубильных орешков, применял также экстракт фиалки для идентификации кислот и щелочей: он зеленеет в щелочах. Этот учёный использовал также экстракты васильков и кошенили. Использовали и лакмус. Бойль заметил, что интенсивность чёрной окраски экстракта дубильных орешков при взаимодействии с железом зависит от содержания железа; это был прямой путь к колориметрическому анализу. Одним из самых старых и широко распространённых является способ определения содержания золота в сплавах и изделиях с помощью пробирного камня. Метод в его исходной (физической) форме описан ещё Теофрастом (372-287 гг. до н.э.) в его сочинении «О камнях». В средние века метод был значительно усовершенствован; в начале 16 в. для калибровки было введено использование 23 игл с различным содержанием золота. Гален (ок. 200-130 гг. до н.э.) использовал куриные яйца для грубого определения содержания солей, растворённых в воде, или, иначе, для определения плотности солёной воды. В 1767 г. Льюис получил лакмусовую бумагу и использовал её для обнаружения кислот и щелочей.

Общий принцип почти всех химических тест-методов - это использование аналитических реакций и реагентов в условиях и формах, обеспечивающих получение визуально наблюдаемого или легко измеряемого эффекта; это, например, интенсивность окраски бумаги или длина окрашенной части трубки. Реагенты и добавки используют в виде заранее приготовленных растворов (в ампулах или капельницах) или иммобилизованными на твёрдом носителе - бумаге, силикагеле, пенополиуретане и т.д. В качестве средств для тест-методов химического анализа могут быть использованы индикаторные бумаги, индикаторные порошки и трубки, таблетки и др.

Тест-методы позволяют проводить широкий скрининг проб, например, объектов окружающей среды. Пробы, давшие положительный результат, отделяют от тех, что показали отсутствие компонента. В случае образцов, для которых результат был положителен, предполагается в случае необходимости и более глубокое изучение, в том числе в лаборатории с использованием дорогостоящих приборов.

Анализ «на месте» имеет много достоинств. Экономится время и средства на доставку проб в лабораторию и на сам анализ (конечно, более дорогой). При анализе на месте обычно снижаются требования к квалификации исполнителя, поскольку используются более простые средства анализа. Но главное заключается в том, что часто анализ в стационарной лаборатории вообще невыполним или не имеет никакого смысла, поскольку, например, изменяются формы существования компонентов.

Во многих случаях тест-методы используют для предварительной оценки наличия и содержания компонентов. В этом случае уместна методология скрининга. Очень удобны тест-системы для оценки обобщённых показателей изучаемого объекта, например химического потребления кислорода или суммы тяжёлых металлов в водах. По мере их совершенствования тест-методы всё в большой степени служат и будут служить единственным и окончательным средством анализа. Тест-средства анализа можно использовать для управления дозирующими устройствами, например, инсулиновым насосом для больных диабетом. Особую группу тест-средств составляют так называемые химические дозиметры, предназначенные для оценки суммарного определения количества вещества, появившегося в изучаемой среде за определённое время. На протяжении столетий, со времён алхимиков, химический анализ осуществлялся в лаборатории. Это было связано с необходимостью использовать специальную химическую посуду, специальное оборудование, например, печи, а затем и измерительные приборы. Это было связано с применением не всегда безвредных химических веществ, что требовало как минимум хорошей вентиляции. Это определялось длительностью, сложностью и трудоёмкостью операций разделения сложных смесей веществ. В значительной мере эти факторы действуют и в настоящее время, поэтому сотни тысяч, миллионы химических анализов проводятся аналитических лабораторий, причём теперь не только химических, но и физических и биологических. Так, любой исследовательский институт химического, геологического или металлургического профиля имеет аналитические лаборатории. То же самое можно сказать о любом химическом, нефтеперерабатывающем, фармацевтическом или металлургическом заводе. И в этих лабораториях обычно много сложных и дорогостоящих приборов. В последнее время положение меняется: химический анализ постепенно перемещается из лабораторий к тем местам, где находится анализируемый объект. Это одна из важнейших тенденций развития аналитической химии. Иллюстрацией этой тенденции могут служить создание нового журнала, освещающего проблемы внелабораторного анализа (Field Analytical Chemistry and Technology) или проведение с 1980 г. международных конференций по анализу «на месте».

Классификаций тест-систем для химического анализа может быть несколько в зависимости от выбранного классификационного признака.

В зависимости от выбранного классификационного признака Золотов Ю.А., Иванов В.М. [1] разделяют тест-системы следующим образом.

- По природе процессов, используемых для получения аналитического сигнала: тест-методы могут быть разделены на физические, химические, биохимические и биологические.

Физических методов немного, и они не играют большой роли в практике химического анализа.

Биохимические обычно основаны на использовании ферментов и иммуносистем. Выделенные природные ферменты, особенно иммобилизованные, в известной мере приобретают свойства химических реагентов, поэтому, несмотря на специфику ферментов как химических соединений (особенности происхождения, условия хранения, время сохранения активности) ферментные методы можно отнести к химическим.

Биологические методы базируются на использовании микроорганизмов, органов, тканей и даже высокоорганизованных организмов и целых популяций.

- По форме используемого тест-реагента. Это, прежде всего готовые растворы и «сухие реагенты», т.е. нанесённые на твёрдый носитель или просто порошки или таблетки самих реагентов. Ещё большее разнообразие предоставляют тесты на твёрдой матрице; самые известные примеры - индикаторные бумаги, содержащие молекулы-реагенты или активные атомные группировки, и индикаторные трубки для анализа газов, в которых носитель содержит хромогенный реагент, изменяющий окраску при пропускании нужного газа.

Реагенты на носителях (матрицах) различаются природой носителя (целлюлоза, синтетические полимеры, силикагель и др.) и способом закрепления на носителях (адсорбционные, ковалентные).

Общие требования, предъявляемые к тестам, состоят в следующем:

· при оценке наличия нужного компонента предпочтительнее ошибочное «да», чем ошибочное «нет»;

· экспрессность;

· число операций, осуществляемых при тестировании, должно быть минимальным;

· при визуальной оценке границы раздела по-разному окрашенных зон должны быть чёткими, изменения окраски достаточно контрастными и т.д., т.е. следует сводить к минимуму возможность неоднозначного толкования результата.

Метрологический аспект, конечно, очень существенен для разработки, приготовления и использования тест-систем; результаты тестов должны быть достаточно надёжными даже в тех случаях, когда определяются малые количества веществ.

Правильность тест-методов обычно проверяют сравнением их результатов с результатами, полученными «инструментальными» методами. Это, конечно, делается при разработке тест-методов. Многие тест-системы не являются универсальными и предназначены для определения компонентов только в определённых объектах.

Химия тест-методов основана главным образом на цветных реакциях, например реакциях комплексообразования или окисления - восстановления. «Ноу хау» разработчиков и производителей тест-систем сосредоточивается на подборе рациональной комбинации реагентов, стабилизации смесей реагентов и растворов, на уменьшение мешающих влияний путём добавления маскирующих агентов. Главная цель - разработать тест, который был бы экспрессным и лёгким в осуществлении.

Помимо реакций, приводящих к появлению окраски, используют также химические взаимодействия, результатом которых является появление люминесценции.

Эффект измеряют не только визуально, но и с помощью простых в использовании портативных приборов. Особенно часто измеряют пропускание света, диффузное отражение или люминесценцию.

Требования, предъявляемые к реакциям, которые используют в тест-методах, состоят в следующем:

1. Селективность по отношению к обнаруживаемым (определяемым) компонентам или их сумме - в зависимости от поставленной задачи;

2. Достаточно высокая чувствительность. Например, при анализе объектов окружающей среды предел обнаружения обычно должен быть ниже предельно допустимой концентрации нужного компонента или близок к ней;

3. При использовании цветных реакций - высокая контрастность и высокая скорость цветового перехода в присутствии обнаруживаемого или определяемого вещества;

4. Возможность ввести реагенты в форме, пригодной для использования в тест-методах, например привить, с образованием ковалентных связей, на поверхности силикагеля или целлюлозы;

5. Устойчивость реагентов при хранении и достаточная устойчивость аналитического эффекта (окраски, люминесценции и т.д.) во времени.

Для создания тест-методов и тест-средств используют химические реакции почти всех основных типов:

1) кислотно-основные;

2) окислительно-восстановительные;

3) комплексообразования;

4) разные реакции органического синтеза.

Значительную роль в тест-методах играют занимающие несколько особое положение каталитические реакции, преимущественно с использованием ферментов. Соответственно, используются реагенты различного механизма действия и различной природы.

Кислотно-основные реакции имеют большое значение при определении величины рН. Определение концентрации водородных ионов при анализе природных и сточных вод, технологических растворов, биологических жидкостей - одна из самых массовых аналитических операций. Несмотря на развитие потенциометрических методов определения рН, определение кислотности с помощью кислотно-основных индикаторных бумаг остаётся весьма распространённой процедурой. Этот способ имеет ряд достоинств: простота анализа, экспрессность, отсутствие необходимости использовать аппаратуру и связанная с этим дешевизна определений, возможность проводить анализ практически в любом месте.

Окислительно - восстановительные реакции также весьма распространены. При использовании твёрдых реагентов существенно знать, изменится ли окислительно-восстановительный потенциал при иммобилизации реагентов на твёрдой матрице. Здесь нет общего решения, многое зависит от способа иммобилизации, природы матрицы и т.д. Примером окислительно-восстановительных реакций могут быть реакции восстановления золота и серебра солью Мора в присутствии комплексообразующих веществ.

Реакции комплексообразования широко используют в многочисленных тест-методах на ионы металлов, реже - в методах определения органических веществ. Специфических реакций образования комплексных соединений почти нет, поэтому во многих тест-средствах предусматривается регулирование рН, использование маскирующих веществ и другие способы повышения селективности. Одним из широко используемых реагентов является дитизон. [2] Он образует окрашенные комплексы со многими ионами металлов; по устойчивости их можно расположить в ряд:

Ag>Hg>Pd>Pt>Au>Cu>Bi>In>Sn>Zn>Cd>Co>Pb>Ni>Fe(II)>Mg>Tl(I).

химический тест метод реагент

Хотя дитизон является реагентом на 30 катионов, можно, используя зависимость реакции от рН, маскирующие реагенты и реакции вытеснения, проводить довольно селективное определение. Например, в сочетании с тиомочевинной и ацетатом натрия дитизон использован при получении индикаторных бумаг для определения суммы тяжёлых металлов, предел обнаружения 0,5 мг/л катиона.

Основными путями применения аналитических реагентов в тест-системах являются:

1) их используют в виде заранее приготовленных и фасованных растворов;

2) они иммобилизованы на твёрдую матрицу (носитель);

3) их используют в форме заранее взвешенных и упакованных доз в виде порошков, шариков, таблеток и т.д.

При использовании готовых растворов изготовители тест-средств помещают их в ампулы, капельницы, закрытые пробирки. Реагенты в таких растворах должны быть устойчивыми в течении длительного времени. Концентрация реагентов соответствует ожидаемой концентрации определяемого компонента; часто в набор входят растворы нескольких концентраций. Иногда раствор содержит не только сам реагент, но также другие необходимые вещества.

Помимо собственно аналитических реагентов в тест-средства обычно вводят и другие вещества - восстановители или окислители, буферы, маскирующие агенты, смачивающие соединения, закрепители и др.

Например, один из вариантов реактивных бумаг для определения меди в воде готовят из фильтровальной бумаги, которую вначале пропитывают растворов восстановителя (гидрохлорид гидроксиламина, аскорбиновая кислота или их смесь) для восстановления меди (II) до меди (I), какую-либо слабую кислоту, затем после сушки обрабатывают органическим раствором аналитического реагента на медь (I) (купроин, неокупроин, батокупроин) вместе с эмульгатором. Можно вводить ещё смеси Na2B4O7 - H3BO3 или H2CO3 - NH3 , которые увеличивают чувствительность определения меди [1].

Средства и приёмы анализа различных объектов окружающей среды с использованием тест-систем

Основными средствами тестирования воды, водных растворов и других жидких сред являются бумажные индикаторные полоски, индикаторные трубки, таблетки и простейшие устройства для тестирования. Однако известны и другие средства. Применяемые процедуры зависят, естественно, от типа средств.

Разнообразием способов изготовления тест-устройств и определения концентрации с их помощью отличаются тест-системы, в которых аналитический реагент иммобилизован на твёрдых носителях, особенно на целлюлозных бумагах. Содержание компонентов определяют по тону или интенсивности окраски, возникающей после контакта носителя с исследуемой жидкостью, путём сравнения её с цветной шкалой, либо по площади окрашенной или обесцвеченной зон индикаторных бумаг.

Индикаторные порошки представляют собой либо смеси необходимых реагентов для определения веществ, либо сыпучие материалы, на которых иммобилизованы реагенты. Они могут быть помещены в приборы для тестирования, представленные на рисунке 1. В первом случае концентрацию определяют по интенсивности окраски жидкости после внесения индикаторного порошка и его растворения в анализируемом растворе. Во втором случае индикаторный порошок вносят в пробу, перемешивают и определяют концентрацию по интенсивности окраски порошка [8].

Рисунок 1 - Приборы для тест-определений с использованием индикаторных порошков

1-колориметрическая трубка

2- анализируемый раствор

3- индикаторный порошок

Использование индикаторных порошков позволяет сочетать сорбционное концентрирование определяемого компонента из разбавленных растворов с его визуальным определением на поверхности. Высокая прозрачность индикаторных порошков обеспечивает высокую чувствительность определения. Установлено, что с увеличением удельной площади поверхности чувствительность определения возрастает.

Стеклянные индикаторные трубки (рисунок 2) заполняют носителем с закрепленным на нем реагентом. Через трубку пропускают определенный объем анализируемой жидкости; это можно делать с помощью шприца, за счет гидростатического давления или за счет капиллярных сил, опустив трубку в анализируемую жидкость и подождав, когда жидкость поднимется до конца заполняющего трубку слоя сорбента. В результате взаимодействия между закрепленным реагентом и аналитом образуется соединение, имеющее окраску, отличную от окраски слоя сорбента. Длина окрашенной зоны зависит от концентрации аналита.



Рисунок 2 - Способы определения концентрации с помощью индикаторных трубок

а - с принудительным пропусканием анализируемой жидкости;

б - методом погружения и поднятия жидкости за счет капиллярных сил;

в - методом погружения с использованием гидростатического давления:

1 -- анализируемая жидкость;

2 -- индикаторная трубка;

3 -- окрашенная зона сорбента.

Объем анализируемого раствора, пропущенного через индикаторную трубку, определяют по формуле [9,10]

Таким образом, использование индикаторных порошков и трубок, как техническое средство при создании тест-систем может упростить и удешевить химический анализ. В этой связи является актуальным разработка новых тест-методов анализа, отличающихся селективностью, чувствительностью и экспрессностью.

Сточные воды. Виды сточных вод

Атмосферные осадки и воды, которые отводятся в естественные водоемы с территорий населенных пунктов и предприятий, принято называть сточными водами. Отвод осуществляется посредством канализации или естественным путем.

Влияние сточных вод на развитие всей биосферы можно недооценить, но переоценить невозможно. Сточные воды провоцируют и ускоряют эвтрофикацию водоемов, ведут к изменению биоценоза и гибели биологических видов, загрязняют объекты водопользования, которые человек использует в качестве источника питьевой воды. Даже артезианские бассейны уже не столь безупречны, как 100-150 лет тому назад.

Виной всему - бурная хозяйственная и промышленная деятельность человека. Источниками сточных вод становятся наши квартиры, детские сады, больницы, школы, магазины, салоны красоты, АЗС, предприятия металлургической, пищевой, фармацевтической промышленности.
Чтобы хоть как-то приостановить разрушение гидросферы, разрабатываются законы и подзаконные акты, внедряются новые и совершенствуются давно известные методы очистки. А всесторонний анализ сточных вод позволяет разработать оптимальный алгоритм очистки (с учетом характера загрязнителей) для каждого промышленного объекта и оценить качество воды, покидающей очистные сооружения.

Почему в 80 % случаев законы, анализы и методы очистки игнорируются руководителями предприятий? Вопрос риторический, хотя ответ, на самом деле, очевиден - деньги. Мы же постараемся ответить на другой вопрос: какими характеристиками обладают сточные воды и как загрязнители влияют на их очистку? Но прежде бросим беглый взгляд на классификацию сточных вод и главные особенности отдельных их типов.

Виды сточных вод

1. Хозяйственно-бытовые (также можно встретить названия коммунальные и городские сточные воды). Это стоки из нашей кухни, санитарного узла, школы, поликлиники etc. Отводятся посредством хозяйственно-бытовой и общесплавной канализации. Состав загрязнителей: 58 % - органика, 42 % - минеральные вещества. Особенность - высокое содержание азотсодержащих соединений и фосфатов, значительная степень фекального загрязнения.

2. Промышленные сточные воды. Формируются на предприятиях, отводятся посредством промышленной канализации. Спектр загрязнителей определяется характером промышленной деятельности. Содержат органические и неорганические элементы, наибольшую опасность для гидросферы и человека представляют нефтепродукты, органические красители, фенолы, поверхностно-активные вещества, сульфаты, хлориды и тяжелые металлы.

3. Поверхностные сточные воды: стоки (дождевые и талые), формирующиеся из атмосферных осадков, проникающие в почву и стекающие в водоемы посредством ливневой канализации с территории промышленных предприятий и населенных пунктов. Спектр возможных загрязнителей широк и определяется особенностями территории. Анализ поверхностных сточных вод крайне затруднителен по очевидным причинам.

Сумма тяжелых металлов

Говоря о повышенной концентрации в воде металлов, как правило, подразумевают ее загрязнение тяжелыми металлами (Cad, Pb, Zn, Cr, Ni, Co, Hg и др.). Тяжелые металлы, попадая в воду, могут существовать в виде растворимых токсичных солей и комплексных соединений (иногда очень устойчивых), коллоидных частиц, осадков (свободных металлов, оксидов, гидроксидов и др.). Главными источниками загрязнения воды тяжелыми металлами являются гальванические производства, предприятия горнорудной, черной и цветной металлургии, машиностроительные заводы и др. Тяжелые металлы в водоеме вызывают целый ряд негативных последствий: попадая в пищевые цепи и нарушая элементный состав биологических тканей, они оказывают тем самым прямое или косвенное токсическое воздействие на водные организмы. Тяжелые металлы по пищевым цепям попадают в организм человека.

Тяжелые металлы по характеру биологического воздействия можно подразделить на токсиканты и микроэлементы, имеющие принципиально различный характер влияния на живые организмы. Характер зависимости эффекта, оказываемого элементом на организмы, в зависимости от его концентрации в воде (и, следовательно, как правило, в тканях организма), приведен на рис. 10.

Как видно из рис. 10, токсиканты оказывают отрицательное воздействие на организмы при любой концентрации, в то время как микроэлементы имеют область недостаточности, вызывающей отрицательный эффект (менее Ci), и область необходимых для жизни концентраций, при превышении которых снова возникает отрицательный эффект (более С2). Типичными токсикантами являются кадмий, свинец, ртуть; микроэлеметами -- марганец, медь, кобальт.

Предложили метод суммарного определения тяжёлых металлов [Cu (II), Co, Ni, Cd, Zn, Pb, Mn (II)] с помощью индикаторных трубок в питьевых, сточных, природных водах и атмосферных осадках. В основу определения положена цветная реакция взаимодействия ионов металлов с 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом, нековалентно иммобилизованным гидрофобизованном силикагеле. Тест-средство представляет собой стеклянную трубку (длина -50 мм, внутренний диаметр- 2 мм), заполненную индикаторным порошком. Измеряют длину окрашенной в фиолетовый цвет зоны и определяют содержание металлов с помощью шкалы длин или по уравнению градуировочного графика. Диапазон определяемых содержаний составляет 0,01-1мМ. Воспроизводимость и правильность методики проверена методом «введено-найдено» и анализом стандартных растворов суммы металлов.

Определение меди

Медь является микроэлементом, содержится в организме человека, главным образом, в виде комплексных органических соединений и играет важную роль в процессах кроветворения. Во вредном воздействии избытка меди решающую роль играет реакция катионов Сu2+ с SH-группами ферментов. Изменения содержания меди в сыворотке и коже обуславливают явления депигментации кожи (витилиго). Отравление соединениями меди могут приводить к расстройствам нервной системы, нарушению функций печени и почек и др. ПДК меди в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения составляет 1,0 мг/л, лимитирующий показатель вредности --органолептический.

Для определения меди (II) в сточных, природных и питьевых водах, атмосферных осадках, технологических растворах, озолятах пищевых продуктов, биологических жидкостях предложены индикаторные трубки [17]. Тест-средство представляет собой стеклянную трубку (длина -- 50 мм, внутренний диаметр -- 1--2 мм), заполненную индикаторным порошком. При пропускании анализируемой пробы через трубку с помощью медицинского шприца в трубке возникает окрашенная зона. Длина окрашенной зоны пропорциональна концентрации меди. Эту концентрацию определяют с помощью шкалы длин или уравнения градуировочного графика. В основу определения положена цветная реакция взаимодействия меди (II) с 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом, включенным в состав индикаторного порошка. Высокая селективность определения достигается за счет проведения реакции в кислой среде.

Диапазон определяемых содержаний 0,06--0,3 мг/л для трубок с внутренним диаметром 1,0 мм, 0,12-0,4 мг/л для трубок с внутренним диаметром 2,0 мм. Определению не мешают кратные количества К, Na, (1 * 104), Са (300), Mg (75), Pb (50), Ni (40), Zn (30), Al (25), сопоставимые количества Mn(II) и Co(II). Воспроизводимость и правильность методики проверена анализом стандартного образца суммы металлов и методом «введено -- найдено».

Определение цинка

Цинк является микроэлементом и входит с состав некоторых ферментов. Он содержится в крови (0,5-0,6), мягких тканях(0,7-5,4), кос¬тях (10-18), волосах (16-22 мг %), (единица измерения малых концентраций, 1 мг %=10-3) т.е., в основном, в костях и волосах. Находится в организме в динамическом равновесии, которое сдвигается в условиях повышенных концентраций в окружающей среде. Отрицательное воздействие соединений цинка может выражаться в ослаблении организма, повышенной заболеваемости, астмоподобных явлениях и др. ПДК цинка в воде водоемов составляет 1,0 мг/л, лимитирующий показатель вредности -- общесанитарный.

Великородный А.А. и Морсанова Е.И. [19] предложили тест на цинк с использованием полиуретановых пенопластов с закрепленным на них дитизоном. Кубик полиуретана с длиной ребра 4 мм встряхивают с 1-2 мл анализируемого раствора при рН 6,2 в течение 1-2 мин. Изменение красного цвета сравнивают со шкалой из кубиков. Предел обнаружения цинка 0,05 мг/л.



Определение кадмия

Соединения кадмия очень ядовиты. Действуют на многие системы организма -- органы дыхания и желудочно-кишечный тракт, центральную и периферическую нервные системы. Механизм действия соединений кадмия заключается в угнетении активности ряда ферментов, нарушении фосфорно-кальциевого обмена, нарушений метаболизма микроэлементов (Zn, Сu, Ре, Mn, Se). ПДК кадмия в воде водоемов составляет 0,001 мг/л, лимитирующий показатель вредности -- санитарно-токсикологический.

Для обнаружения ионов кадмия существует много методик. Так, Золотов Ю.А. [26] предложил пропитать пенополиуретановые кубики дитизоном. Кубики помещают в 1-2 мл раствора, и в присутствии кадмия они изменяют цвет из зелёного в оранжево-красный. Полуколичественное определение проводят в диапазоне 0,1-10 мг/л кадмия, используя в качестве шкалы серию окрашенных кубиков с размером ребра 4 мм. Для определения 0,01-0,05 мг/л кадмия пропускают 100 мл раствора через колонку, заполненную кубиками. Мешают определению хром (VI), марганец (VII), серебро, цинк, свинец, ртуть и сульфиты.

Для определения кадмия в питьевых, природных и сточных водах и атмосферных осадках предложен индикаторный порошок [27] . Он представляет собой нековалентно модифицированный комплексообразующим аналитическим реагентом бромбензтиазо сорбент на основе оксида кремния. После контакта с анализируемым раствором индикаторный порошок окрашивается в сине-фиолетовый цвет. Интенсивность окраски, пропорциональная содержанию кадмия в растворе, может быть оценена визуально с помощью цветовых шкал, а также с применением твёрдофазной спектрофотометрии Илии спектроскопии диффузного отражения. Диапазоны определяемых содержаний и относительные стандартные отклонения составляют 0,05-0,5 мг/л и 0,06-0,11 при твёрдофазно-спектрофотометрическом определении.

Определение свинца

Соединения свинца -- яды, действующие на все живое, но вызывающие изменения особенно в нервной системе, крови и сосудах. Подавляют многие ферментативные процессы. Дети более восприимчивы к воздействию соединений свинца, чем взрослые. Обладают эмбриотоксическим и тератогенным действием, приводят к энцефалопатии и поражениям печени, угнетают иммунитет. Органические соединения свинца (тетраметилсвинец, тетраэтилсвинец) -- сильные нервные яды, летучие жидкости. Являются активными ингибиторами обменных процессов. Для всех соединений свинца характерно кумулятивное действие. ПДК свинца в воде водоемов составляет 0,03 мг/л, лимитирующий показатель -- санитарно-токсикологический.

Ориентировочное предельно-допустимое значение содержания в водах суммы металлов составляет 0,001 ммоль/л (ГОСТ 24902). Значения ПДК для воды водоемов по отдельным металлам приведены ранее при описании их физиологического воздействия.

Для определения свинца в сточных и технологических растворах предложены индикаторные трубки [28]. В основу определения положена цветная реакция свинца с родизонатом натрия в растворе и сорбция образовавшегося окрашенного соединения в индикаторной трубке. Тест-средство представляет собой стеклянную трубку (длина - 50 мм, внутренний диаметр - 1 мм), заполненную индикаторным порошком. После добавления комплексообразующего реагента к анализируемой пробе и пропускания с помощью медицинского шприца полученного окрашенного раствора через индикаторную трубку в ней возникает окрашенная зона. Длина окрашенной зоны прямо пропорциональна содержанию свинца в анализируемом растворе. Концентрацию свинца определяют с помощью шкалы длин или уравнения градуировочного графика. Диапазон определяемых содержаний составляет 10-80 мг\л. Воспроизводимость и правильность методики проверена методом «введено - найдено» и сопоставлением результатов анализа с результатами определения инструментальными методами. Проведённое исследование свидетельствует о хорошей правильности и воспроизводимости определения свинца, сопоставимыми с правильностью и воспроизводимостью инструментальных измерений.

Определение ртути

Ртуть относится к ультрамикроэлементам и постоянно присутствует в организме, поступая с пищей. Неорганические соединения ртути (в первую очередь катионы Hg реагируют с SH-группами белков («тиоловые яды»), а также с карбоксильными и аминными группами тканевых белков, образуя прочные комплексные соединения -- металлопротеиды. В результате возникают глубокие нарушения функций централь¬ной нервной системы, особенно высших ее отделов. Из органических соединений ртути наибольшее значение играет метилртуть, которая хорошо растворима в липидных тканях и быстро проникает в жизненно важные органы, и в том числе в мозг. В результате возникают изменения в вегетативной нервной системе, периферических нервных образованиях, в сердце, сосудах, кроветворных органах, печени и др., нарушения в иммунобиологическом состоянии организма. Соединения ртути обладают также эмбриотоксическим действием (приводят к поражению плода у беременных). ПДК ртути в воде водоемов составляет 0,0005 мг/л, лимитирующий показатель вредности -- санитарно-токсикологический.

Для обнаружения ртути используют бумагу, пропитанную дифенилкарбазидом или дифенилкарбзоном, которые дают со ртутью комплекс от фиолетового до синего цвета [35]. В нейтральных или слабокислых растворах некоторые тяжёлые металлы (медь, железо, кобальт и др.) мешают определению. Для повышения избирательности реакцию обычно проводят в 0,1 М растворе азотной кислоты. Предел обнаружения 2 мг/л. Фильтровальная бумага, пропитанная иодидом меди (I), даёт глубокое окрашивание от красного до оранжевого при действии на них подкисленных растворов ртути. Реакция 4 CuJ + Hg2+ ? Cu2[HgJ4] + 2 Cu+ является основой избирательного метода обнаружения ртути. Мешают определению соли серебра, золота, платины, они взаимодействуют с CuJ, выделяют частично металл в виде чёрного налёта. Предел обнаружения 0,1 мг/л ртути (II). Описана [36] экспрессная методика обнаружения 0,2 млн-1 ртути в водных растворах при рН 1-6, основанная на изменении цвета полиуретановой пены, модифицированной дитизонатом свинца. Предложены два варианта определения ртути - статистический и динамический. В первом варианте 1-2 мл анализируемого раствора перемешивают с пеной, во втором пропускают 100 мл анализируемого раствора через колонку, заполненную пеной. Концентрацию определяют, сравнивая цвет пены со стандартной шкалой, приготовленной из расчёта 0,2-1,0-5,0-10 млн-1 ртути (II). Мешают определению висмут и серебро. Для определения ртути и дифенилртути предложена пенополиуретановая пластина размером 35*10*2 мм, пропитанная дитизоном [37]. К 100 мл пробы добавляют маскирующие вещества и встряхивают 10 минут с модифицированной дитизоном пластиной. Затем определяют её цвет визуально или на спектрофотометре при 485 нм. Предел обнаружения ртути 0,005 мг/л, дифенилртути 0,01 мг/л. Дитизонаты цинка, железа, никеля, кадмия, осаждённые на бумаге, разрушаются в кислой среде, но не разрушаются дитизонаты меди. Учитывая то, что определение тяжёлых металлов в природных и сточных водах желательно проводить в кислой среде, способствующей разрушению комплексов с органическими веществами, для определения ртути взяты дитизонаты меди. Бумага, импергированная дитизонатом меди, имеет серый цвет. В присутствии ртути (II) на тест-полосе, заклеенной в полимерную плёнку, появляется красная зона. В области 0,1-1 М HCl, H2SO4 или HNO3 практически не изменяется длина окрашенной зоны. При концентрации кислот выше 1 М наблюдается расплывчатая красная зона ртути, а ниже 0,1 М уменьшается длина окрашенной зоны. Эта система отличается высокой избирательностью. Определению ртути не мешают кратные количества ионов щелочных и щелочноземельных элементов. Мешают определению серебро и сульфиды.

Определение железа

Железо -- один из самых распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо, с точки зрения его распространенности в природе, принято называть макроэлементом.

Известно свыше 300 минералов, содержащих соединения железа. Среди них -- магнитный железняк б-FeO(OH), бурый железняк FeзО4x H2O, гематит (красный железняк), гемит (бурый железняк), гидрогетит, сидерит FeСОз, магнитный колчедан FeSx, (х=1-1,4), железомарганцевые конкреции и др. Железо также является жизненно важным микроэлементом для живых организмов и растений, т.е. элементом, необходимым для жизнедеятельности в малых количествах.

В малых концентрациях железо всегда встречается практически во всех природных водах (до 1 мг/л при ПДК на сумму железа 0,3 мг/л) и особенно -- в сточных водах. В последние железо может попадать из отходов (сточных вод) травильных и гальванических цехов, участков подготовки металлических поверхностей, стоков при крашении тканей и др.

Железо образует 2 рода растворимых солей, образующих катионы Fe2+ и Fe3+, однако в растворе железо может находиться и во многих других формах, в частности:

1) в виде истинных растворов (аквакомплексов) [Fe(H2O)б]2+, содержащих железо (II). На воздухе железо (II) быстро окисляется до железа (III), растворы которого имеют бурую окраску из-за быстрого образования гидроксосоединений (сами растворы Fe2+ и Fe3+ практически бесцветны);

2) в виде коллоидных растворов из-за пептизации (распада агрегированных частиц) гидроксида железа под воздействием органических соединений;

3) в виде комплексных соединений с органическими и неорганическими лигандами. К ним относятся карбонилы, ареновые комплексы (с нефтепродуктами и др. углеводородами), гексацианоферраты [Fe(CN)6]4- и др.

В нерастворимой форме железо может быть представлено в виде различных взвешенных в воде твердых минеральных частиц различного состава.

При рН>3,5 железо (Ш) существует в водном растворе только в виде комплекса, постепенно переходящего в гидроксид. При рН>8 железо (П) тоже существует в виде аквакомплекса, претерпевая окисление через стадию образования железа (Ш):

Fe (II) >Fe (III) >FeO (ОН) х Н2О

Таким образом, поскольку соединения железа в воде могут существовать в различных формах, как в растворе, так и во взвешенных частицах, точные результаты могут быть получены только при определении суммарного железа во всех его формах, так называемого «общего железа».

Раздельное определение железа (II) и (III), их нерастворимых и растворимых форм, дает менее достоверные результаты относительно загрязнения воды соединениями железа, хотя иногда возникает необходимость определить железо в его индивидуальных формах.

Перевод железа в растворимую форму, пригодную для анализа, проводят, добавляя к пробе определенное количество сильной кислоты (азотной, соляной, серной) до рН 1-2.

Диапазон определяемых концентраций железа в воде -- от 0,1 до 1,5 мг/л. Определение возможно и при концентрации железа более 1,5 мг/л после соответствующего разбавления пробы чистой водой.

Было предложено [31,32,33] определение железа (III) с помощью таблеток на основе пенополиуретана. Тест-средство предназначено для качественной и полуколичественной оценки содержания железа (III) в природных водах. Метод основан на сорбции окрашенных в красный цвет тиоцианатных комплексов таблеткой пенополиуретана. О наличии железа (III) судят по изменению окраски таблетки из белой в красную; содержание железа (III) определяют, сравнивая визуально интенсивность окраски таблетки с заранее приготовленной цветовой шкалой. Можно определять от 0,02 до 1 мг/л железо (III). Селективность методики характеризовали предельным соотношением сопутствующее соединение: железо (III), при котором погрешность определения не превышают 15%. Тест-средство позволяет проводить скрининг проб воды на наличие железа (III) и дать положительный ответ о его присутствии при его содержании выше 0,2 мг/л. При визуальном определении установлено, что время появления характерной для тиоцианатных комплексов железа (Ш) красной окраски в таблетке пенополиуретана зависит от содержания железа(Ш) в анализируемой пробе. Количественное извлечение аналитической формы в таблетку пенополиуретана достигается через 15 минут. Воспроизводимость визуального тест-определения железа(Ш) зависит от его содержания в пробе. Относительное стандартное отклонение составляет 0,10-0,20 при содержании железа (Ш) в пробе 0,05-0,2 мг/л. Правильность методики подтверждена анализом разбавленного в 1000 раз стандартного образца воды ГСОРМ-2.

Для определения железа (II) в природных и сточных водах, атмосферных осадках и технологических растворах могут быть использованы индикаторные трубки [34]. В основу определения положена окислительно-восстановительная реакция между железом(П) и нековалентно иммобилизованным на гидрофобизованном силикагеле 2,6-дихлориндофенолом. Тест-средство представляет собой стеклянную трубку, заполненную индикаторным порошком. После добавления буферного раствора и маскирующего реагента к анализируемой пробе в полученный раствор опускают индикаторную трубку. Раствор поступает в индикаторную трубку под действием капиллярных сил. После поднятия фронта жидкости на всю длину индикаторной трубки измеряют длину бесцветной зоны. Её длин прямо пропорциональна концентрации железа. Содержание железа определяют с помощью шкалы длин или уравнения градуировочного графика.

Определение хрома

Хром (VI) можно определять [29,30] с использованием таблеток на основе пенополиуретана. Тест-средство предназначено для качественной и полуколичественной оценки содержания хрома (VI) в природных водах. Метод основан на сорбции хрома из 1 М раствора серной кислоты, содержащего 2•10-4 М тетрафенилбората натрия, таблеткой пенополиуретана, модифицированной дифенилкарбазидом в присутствии пластификатора. О наличии хрома (VI) судят по изменению окраски таблетки пенополиуретана из светло-розовой в синюю; содержание хрома определяют, сравнивая визуально интенсивность окраски таблетки с заранее приготовленной цветовой шкалой. Определению хрома не мешают 10-кратные количества Cu(II), Zn(II), Co(II), Ni(II), Cd(II), Fe(II). Тест-средство позволяет определять от 0,01 до 0,2 мг/л хрома (VI).

Определение кобальта

Было предложено [20,21] определение кобальта с помощью таблеток на основе пенополиуретана. Тест-средство предназначено для качественной и полуколичественной оценки концентрации кобальта в природных водах. Метод основан на сорбции голубых тиоцианатных комплексов таблеткой пенополиуретана. О наличии кобальта судят по изменению окраски таблетки пенополиуретана из белой в голубую; содержание кобальта определяют, сравнивая визуально интенсивность окраски таблетки с заранее приготовленной цветовой шкалой. Можно определять кобальт в диапазоне от 0,1 до 4 мг/л. Селективность методики характеризовали фактором селективности, т.е. предельным соотношением сопутствующее соединение: кобальт, при котором погрешность определения не превышает 15%. Определению кобальта не мешают в кратных количествах Cr (III), Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Tl, Cu (II), Cd (II), Hg (II), Pb (II), Fe (III), Zn (II).

Определение никеля

Никель - малораспространенный элемент; его содержание в земной коре не превышает 8,0Ч10-3%. Поведение никеля (II) в природных водах изучено крайне недостаточно Подвижность этого элемента, как и многих других металлов, е значительной степени зависит от количества органического вещества в воде, его характера, а также от рН и Eh среды. Никель (II) образует многочисленные комплексные соединения (наиболее прочны комплексы с лигандами, содержащими донорные атомы азота). Ионы Ni2+ в водных растворах подвержены гидролизу в меньшей степени, чем катионы других металлов. Ощутимый гидролиз никеля наблюдается лишь при рН>9,0.

Мировое потребление никеля за десятилетие с 1971 по 1980 г. составило 740 тыс. т, однако сейчас темпы его роста уменьшились. К основным источникам поступления никеля в природную среду относят сжигание ископаемых видов топлива и использование никельсодержащих сплавов.

Содержание никеля в незагрязненных водах обычно колеблется в пределах 1-3 мкг/л. Под влиянием различных промышленных источников оно может увеличиться до 10-15 мкг/л. В озерах, расположенных вблизи заводов по выплавке никеля, атмосферное поступление обусловливает содержание растворенного никеля в 1 -183 мкг/л. Атмосферные осадки в отдаленных районах мира характеризуются низким уровнем содержания никеля (до 5 мкг/л), но его концентрация значительно повышается над городскими и промышленными районами и в зависимости от вида промышленного загрязнения колеблется от 3 до 110 мкг/л. Никель не является важным или широко распространенным загрязняющим агентом в донных отложениях водных систем. В большинстве промышленных районов мира его содержание редко превышает 50-100 мкг/кг, что нередко сравнимо с природным фоном, но в отдельных районах его содержание превышает 500 мкг/л. Никель в микроколичествах необходим для человека. Вместе с тем его избыток весьма опасен, хотя по сравнению с другими тяжелыми металлами он наименее токсичен. Эпидемиологические исследования показывают, что соединения никеля могут вызвать повышенную хрупкость костей, раковые опухоли и ряд других заболеваний.

Определение никеля с помощью таблеток на основе пенополиуретана [18]. Тест-средство предназначено для качественной и полуколичественной оценки содержания никеля в природных водах. Метод основан на сорбции никеля из аммиачного буферного раствора таблеткой пенополиуретана, модифицированной диметилглиоксимом в присутствии пластификатора. О наличии никеля судят по изменению окраски таблетки пенополиуретана из белой в розовую; содержание никеля определяют, сравнивая визуально интенсивность окраски таблетки с заранее приготовленной цветовой шкалой. Можно определять никель в диапазоне от 0,2 до 4 мг/л.
Селективность методики характеризовали предельным соотношением сопутствующее соединение: никель, при котором погрешность определения не превышает 15 %. Определению 1 мг/л никеля не мешают в кратных количествах Са, Mg, ацетат, тартрат (5•103), фторид (103), оксалат (500), Cu(II), Zn(II), Cd(II), Cr(II), Fe(III), гидрофосфат (100), Pb(II) (10), Со(II).
Тест-средство позволяет провести скрининг проб воды на наличие никеля и дать положительный ответ о его присутствии в том случае, если его содержание превышает 0,1 мг/л.



Заключение

В условиях активной антропогенной деятельности загрязнение природных пресных вод тяжелыми металлами стало особо острой проблемой. Актуальность этой проблемы не вызывает сомнений. Достаточно сказать, что для тяжелых металлов в принципе не существует надежных механизмов самоочищения. Тяжелые металлы лишь перераспределяются из одного природного резервуара в другой, взаимодействуя с различными живыми организмами и повсюду оставляя видимые нежелательные последствия этого взаимодействия. На сегодня основным источником загрязнения природных вод тяжелыми металлами являются промышленные загрязнения. Тяжелые металлы попадают в природные воды с использованными промышленными водами, содержащими химические соединения и следы элементов, с дождевой водой, фильтрующейся через отвалы, а также при авариях различных химических установок и хранилищ. Остается лишь пожелать руководителям предприятий и сотрудникам контролирующих служб добросовестно выполнять свою работу и проводить очистку сточных вод в соответствии со всеми требованиями.

Тест-системы могут стать незаменимыми в критических ситуациях, когда нужно быстро определить состав воздуха, воды и др. объектов после взрыва, промышленной катастрофы или природного катаклизма. Тест-системы удобны для широкомасштабного обследования жилых и производственных помещений, например на пары ртути, формальдегида, фенола и др. вещества.

Качественный анализ содержания никеля, кобальта и меди в объектах внешней среды предоставляет большие возможности химикам-аналитикам и ученым экологам в исследовательской деятельности. Тест-система позволит создать средств анализа недорогие лёгкие с точки зрения использования и в то же время сопоставимые по своим аналитическим характеристикам с современными инструментальными методами.Разработанная тест-система обладает специфичностью, экспрессностью и дешевизной.



Список литературы

1. Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. «Химические тест-методы анализа», 2002.

2. Островская В.М., Фомин Н.А. // «Высокочистые вещества», 2000.

3. Морозко С.А., Иванов В.М.// Журн. аналит. химии, 2000, 51, № 6, 631.

Размещено на Allbest.ru