Изготовление тест-системы для определения ионов никеля

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Изготовление тест - системы для определения ионов никеля

Цель и задачи работы

Цель работы - разработка тест-системы для обнаружения ионов меди, никеля и кобальта в объектах окружающей среды.

Для достижения указанной цели предполагалось решить следующие задачи:

- получить носитель для определения ионов кобальта, никеля и меди методом модификации поверхности силикагеля;

- исследовать влияние концентрации определяемых ионов на длину окрашенной зоны;

- исследовать влияние массы сорбента на сорбционную ёмкость;

- исследовать влияние разноимённых ионов на специфичность тест-системы;

- проанализировав полученные экспериментальные данные, сформировать тест-систему для определения ионов кобальта, никеля и меди.

Общая характеристика тест-систем

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].

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.

Особое значение имеют тест-методы для анализа «на месте» (on site), вне лаборатории. Дело в том, что существуют огромные, острые потребности во вне лабораторном анализе. Вот неполный список областей, где такой анализ либо уже делается в широких масштабах, либо совершенно необходим и в той или иной мере начинается:

Экспресс - контроль технологических процессов.

Обнаружение метана в угольных шахтах.

Обнаружение утечек природного газа из газопровода.

Определение монооксида углерода и углеводородов в автомобильных выхлопах.

Экспресс-анализ в поле для геологов - поисковиков.

Быстрый анализ почв (рН, азот, фосфор, калий).

Контроль пищевых продуктов на рынках.

Обнаружение алкоголя в выдыхаемом воздухе водителей.

Домашнее определение сахара в крови и моче диабетиков и другие качественные анализы клинического назначения.

Оперативный анализ воды, в том числе питьевой, непосредственно потребителем.

Анализ воздуха в рабочей зоне и на улице.

Контроль содержания озона в стратосфере.

Обнаружение наркотиков в аэропортах, при обысках.

Обнаружение боевых отравляющих веществ.

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.

Классификация тест-систем

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

В зависимости от выбранного классификационного признака Золтов 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 и метрология

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.

Химические основы тестов: реакции и реагенты

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:

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

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

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

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

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). 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.

Способы использования реагентов

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].

Вероятно, несколько большее распространение имеют тест-средства, приготовленные на твёрдом носителе - на бумаге, ткани, на синтетических органических полимерах, силикагеле и др. Природа носителя, способ его приготовления и способ иммобилизации реагентов на нём имеют весьма существенное значение. Реагент иммобилизуют адсорбцией, испарением растворителя после импрегнирования раствором реагента в этом растворителе, другими физическими методами или химической - ковалентной - иммобилизацией. Относительно слабая фиксация «физически» закреплённых реагентов на поверхности носителя и, как следствие этого, частичное смывание его при контакте с раствором являются основным недостатком таких тест-систем. Увеличения прочности связывания реагента с носителем добиваются образованием химических связей между ними (химическая иммобилизация). Однако «физическое» закрепление, как правило, намного проще, поэтому оно весьма широко распространено.

Одними из наиболее распространенных неорганических полимерных носителей реагентов являются силикагели.. Их модифицирую различными реагентами и часто наполняют ими тест-трубки для анализа воздуха. Например, для определения метанола и этанола в воздухе, химического потребления кислорода в воле используют оксид хрома (VI) в среде серной и фосфорной кислот [3,4]; для определения SOi в воздухе использован бромкрезоловый зеленый [5].

Силикагель (силохром С-120) в виде таблеток с иммобилизованным 4-(2-пиридилазо)резорцином (ПАР), 4-(2-тиазолилазо)резорцином (ТАР) или 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом (ПАН) предложен для определения Со, Hg, Pd и U с нижней границей определяемых содержаний 0,003-0,1 мг/л [6,7].

Средства и приёмы анализа объектов окружающей среды

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.

Бумажные полоски и их аналоги

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

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.

Индикаторные трубки тест химический реагент индикаторный

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]:

, где

-- длина и радиус капилляра с индикаторным порошком;-- длина и радиус дополнительной пластиковой трубки.

Относительная длина окрашенной зоны (R) индикаторного порошка зависит от объема пропущенного анализируемого раствора:

,

где S - длина окрашенной зоны тест-трубки.

Экспериментальная часть

Синтез силикагеля

Материалы и реактивы

Этиловый эфир ортокремниевой кислоты (ТЭОС)

HCl конц.

Вода дистиллированная

Спирт изобутиловый

Описание эксперимента

В данной работе в качестве пленкообразующего компонента выбран ТЭОС, как наиболее доступный и широкоприменяемый. По своим физическим свойствам ТЭОС представляет бесцветную жидкость, обладающую специфическим запахом, легко растворимую во многих органических жидкостях. Основным свойством ТЭОСа является его склонность к гидролизу в присутствии ничтожных количеств воды.

Растворы приготавливают объемом 30 мл. В пузырек наливают 25, 7 мл изобутилового спирта. Затем добавляют 2, 6 мл ТЭОСа, перемешивают. Добавляют 0, 03 мл HCl и 0, 6 мл дистиллированной воды. Компоненты тщательно перемешивают и оставляют на сутки.

Далее полученный раствор наливают в тигель и проводят температурную обработку в диапазоне 150-550°С в термопечи (температура задается преподавателем). После окончания термообработки оставляют силикагель остывать вместе с печью. Затем вынимают и помещают в плотно закручивающуюся емкость.

Иммобилизация силикагеля диметилглиоксимом

Материалы и реактивы

Димметилглиоксим 1% спиртовой раствор

В химический стакан помещали навеску силикагеля массой два грамма, приливают диметилглиоксим (10 мл), перемешивают и оставляют на 24 часа при t 20-25°С. После чего, сорбент с иммобилизованным комплексообразователем стабилизируют методом тепловой обработки 8 часов при t 30-35°С.

Исследование сорбционной активности иммобилизованного сорбента

Сорбент с иммобилизованным комплексообразователем помещают в стеклянную трубку диаметром 10 мм и длиной 100 мм. Через полученную систему пропускают подщелаченный аммиаком раствор иона никеля известной концентрации. Наблюдается развитие окраски тест-средства в результате взаимодействия комплексообразователя, закреплённого на носителе с исследуемым ионом.

Построить график зависимости длины окрашенной зоны от сорбционной емкости.

Размещено на Allbest.ru