Предмет аналитической химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Предмет аналитической химии



Аналитическая химия-наука о принципах и методах идентификации и определения химического состава вещества, а также их химической структуры. Методы аналитической химии позволяют выявлять химическую характеристику веществ, т.е. установить качественный состав, определить количественные соотношения компонентов, из которых эти вещества состоят. Эти методы часто дают возможность узнать, в какой форме данный компонент присутствует в веществе (например, установить степень окисления элемента), а иногда мы способны оценить и пространственное расположение компонентов. Компоненты в аналитическом смысле - это атомы, ионы, функциональные группы, химические соединения или отдельные фазы. Следует различать такие понятия как метод и методика анализа. Под методом анализа понимают достаточно универсальный и теоретически обоснованный способ определения состава безотносительно к определяемому компоненту и к анализируемому объекту. Когда говорят о методе анализа, то имеют в виду принцип, положенный в его основу, количественное выражение связи между составом и каким-либо измеряемым свойством; отработанные приемы осуществления, включая выявление и устранение помех; устройства для практической реализации и способы обработки результатов измерений. Методика анализа - подробное описание анализа данного объекта на заданные компоненты с использованием выбранного метода. Не бывает методик без указания определяемых или обнаруживаемых компонентов, объекта анализа и применяемого метода.

Классификация видов анализа может быть основана на природе обнаруживаемых или определяемых частиц; в связи с этим выделяют элементный (атомно-ионный), изотопный, структурно-групповой (функциональный), изотопный, вещественный, молекулярный и фазовый анализы.

Элементный анализ позволяет определить из каких элементов состоит данный объект, какова их концентрация или количество. Изотопный анализ позволяет определить, например, содержание дейтериевой воды в обычной воде или же изотопа ¹⁸О в смеси с распространенным ¹⁶О. Молекулярный анализ - обнаружение и определение химических соединений. Типичным примером является анализ смеси газов. Например, определение в воздухе основных компонентов (N₂, O_2,O₃, CO₂, инертные газы) и таких примесей как оксиды азота или серы. Среди методов молекулярного анализа ныне главенствующее место занимают занимают хромотографические. Для химиков-органиков существен вид анализа, промежуточный между элементным и молекулярным, - структурно-групповой анализ. Это прежде всего определение функциональных групп, т.е. отдельных групп органических содинений-карбоксильной, гидроксильной, аминной и других. В вещественном анализе определяют, в какой форме присутствует интересующий нас компонент в анализируемом объекте и каково содержание этих форм. Например, в какой степени окисления присутствует элемент (As(3) или As(5)), в каком химическом состоянии присутствует элемент (например, Сu в минералах может быть в виде оксида или сульфида или смеси этих соединений). Фазовый анализ - анализ включений в неоднородном объекте, например минералах. Так, сульфид и оксид Cu не распределены в минерале гомогенно, а образуют отдельные фазы.

По природе анализируемого вещества различают анализ органических и неорганических веществ.

Все существующие методы аналитической химии можно разделить на методы пробоотбора, разложение проб, разделение компонентов, обнаружение (идентификация) и определение. Существуют гибридные методы, сочетающие разделение и определение. Наибольшее значение имеют методы определения. В арсенале аналитической химии - это эффективные методы определения, основанные на разных принципах. Принципы-то разные, но практически все методы основаны на зависимости между составом вещества и его свойствами. Обычно измеряют свойство, например, интенсивность окраски, радиоактивность или электрическую проводимость, и по полученному сигналу судят о составе вещества, точнее о содержании интересующего нас компонента.

Можно классифицировать методы определения по характеру измеряемого свойства или по способу регистрации соответствующего сигнала. Методы определения делятся на химические, физические, физико-химические и биологические. Химические методы базируются на определенные реакции. В качественном анализе - это характерные аналитические реакции, т.е. это химические реакции, сопровождающиеся четко видимым внешним эффектом (изменение цвета, появление или растворение осадка и т.д.), используемые для обнаружения, идентификации и разделения веществ. В количественном анализе используют экстенсивные свойства - массу и объем, составляющие предмет классического количественного анализа. Физические методы основаны на физических явлениях и процессах (взаимодействие вещества с потоком энергии). Физические свойства, качественно характеризующие определенное вещество и не зависящие от его количества, называют интенсивными (спектр, T_пл, T_кип). Свойства, зависящие от массы вещества, называют экстенсивными (интенсивность излучаемого света, масса, объем). Характерная особенность физических методов анализа заключается в том, что в них непосредственно измеряют какие-либо физические параметры системы, связанные с количеством определяемого элемента, без предварительного проведения химической реакции. Физико-химические методы анализа основаны на использовании зависимости физхимических свойств вещества, называемого аналитическим сигналом, от природы и содержания этого вещества в анализируемой пробе. Другими словами, к физхимическим методам относятся методы анализа, основанные на зависимости физической характеристики веществ (теплопроводность, электропроводность, светопоглощение, светопреломление и др.) от их химического состава. Характерной особенностью физхимических методов анализа в отличие от химических является то, что используется не просто взаимодействие вещества с аналитическим реагентом, но и взаимодействие его с электрическим током или с различными видами полей. Биологические методы основаны на явлении жизни, т.е. используется отклик организмов на изменения в окружающей среде.

Несмотря на то, что все методы основаны на разных принципах, все они объединены общей целью и к ним предъявляются одинаковые требования, основные из которых следующие: чувствительность, точность, избирательность, экспрессность. Чувствительность метода или методики (или же аналитической реакции) определяется тем минимальным количеством вещества, которые можно обнаружить или определить данным методом, по данной методике или же с помощью данной аналитической реакции. При проведении анализа имеют дело с самыми разными объектами. Зная химические свойства основы анализируемого объекта, выбирают как можно более избирательный метод, т.е. метод, с помощью которого в данных условиях можно обнаружить или определить нужные компоненты без помех со стороны других присутствующих компонентов. Точность - собирательная характеристика метода или методики, включающая их правильность и воспроизводимость. Когда говорят о высокой точности, то предполагают, что результаты правильные, а разброс данных анализа незначителен. Требование к экспрессности, т.е. к быстроте проведения анализа, часто выдвигается как один из основных требований при выборе метода или методики. Есть методы, позволяющие проводить анализ очень быстро. Например, методы атомно-эмиссионной спектроскопии с применением квантометрии дают возможность определить 15-20 элементов за несколько секунд.

Как видно, существует очень много методов аналитической химии, но любой метод аналитической химии основан на получении сигнала при воздействии на вещество. Сигнал, дающий информацию о химическом составе вещества, называется аналитическим сигналом. Следовательно, любая качественная реакция - это аналитический сигнал - и образование окрашивания раствора, и выпадение осадка, и окрашивание пламени - все это аналитические сигналы. Рассмотрим аналитические сигналы в разных методах и их измерение.

Измерение аналитического сигнала в физических методах.

Радиометрический анализ.

Радиометрический метод анализа - метод анализа химического состава веществ, основанный на использовании радиоактивных изотопов и ядерных излучений. Открытие радиоактивности относится к 1896, когда Антуан Анри Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает излучение, названное им радиоактивным (от лат. radio - излучение и activas - действенный). Можно выделить 4 основные группы радиометрических методов:

1) радиоактивационный анализ

2) методы изотопного разбавления и другие радиоиндикаторные методы

3) методы, основанные на поглощении и рассеянии излучений

4) чисто радиометрические методы

Наибольшее распространение получил радиоактивационный метод. Но прежде чем познакомимся с этим методом, рассмотрим какие процессы происходят при взаимодействии вещества с радиоактивным излучением, а также рассмотрим счетчики излучения.

В результате взаимодействия радиоактивного излучения с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул вещества, через которое оно проходит. Излучение производит также световое, фотографическое, химическое и биологическое действие. Например, первичным результатом действия радиоактивного излучения на воздух является появление ионов.

Образующиеся при протекании этих процессов радикалы H^. и OH^. обладают сильным физиологическим действием - при больших дозах они являются одной из причин лучевой болезни, малокровие и т.д., т.к. энергично взаимодействуют с ферментами и составными частями крови. Опасность радиоактивного воздействия возрастает вследствие того, что организм не обладает болевыми реакциями на действие радиоактивного излучения. Быстрое превращение этих частиц в безопасные для человеческого организма является одним из эффективных приемов борьбы с лучевой болезнью.

Радиоактивное излучение вызывает большое число химических реакций в газах, растворах, твердых веществах. Их обычно объединяют в группу радиационно-химических реакций. Сюда относятся, например, разложение(радиолиз) воды с образованием водорода, H₂O₂ и различных радикалов, вступающих в окислительно-восстановительные реакции с растворенными веществами. Интенсивное радиоактивное излучение вызывает свечение стеклянных трубок и ряд других эффектов в твердых телах. На изучении взаимодействия радиоактивного излучения с веществом основаны различные способы обнаружения и измерения радиоактивности. В зависимости от принципа действия счетчики радиоактивных излучений подразделяют на несколько групп:

Ионизационные счетчики. Их действие основано на возникновении ионизации или газового разряда, вызванного ионизацией, при попадании в счетчик радиоактивных частиц или гамма квантов. Среди десятков приборов, использующих ионизацию, типичными являются ионизационная камера и счетчик Гейгера-Мюллера.

Сцинтилляционные счетчики. Действие этих счетчиков основано на возбуждении атомов сцинтиллятора гамма квантами или радиоактивной частицей, проходящей через счетчик. Возбужденные атомы, переходя в нормальное состояние, дают вспышку света. В настоящее время сцинтилляционный метод применяется с использованием фотоумножителя.

Черенковские счетчики. Действие этих счетчиков основано на использовании эффекта Черенкова, который состоит в излучении света при движении заряженной частицы в прозрачном веществе, если скорость частиц превышает скорость света в данной среде. Факт сверхсветовой скорости частицы в данной среде, конечно не противоречит теории относительности, поскольку скорость света в какой-либо среде всегда меньше, чем в вакууме. Скорость движения частицы в веществе может быть больше скорости света в этом веществе, оставаясь в то же время меньше скорости света в вакууме в полном соответствии с теорией относительности. Счетчики Черенкова применяются для исследовательских работ с очень быстрыми частицами, для исследований в космосе и т.д., поскольку с их помощью может быть определен ряд других важных характеристик частиц (их энергия, направление движения).

Радиоактивационный анализ

Радиоактивационный анализ - метод определения элементов и изотопов. Хотя с его помощью можно в принципе определять основные компоненты, полностью потенциал метода реализуется в применении к следовому и ультраследовому элементному анализу. Метод базируется на фундаментальных понятиях и данных о структуре атомных ядер, сечениях ядерных реакций, схемах и вероятностях распада радионуклидов, энергиях излучения, а также на современных способах разделения и предварительного концентрирования микроэлементов. Другими словами, метод основан на образовании радиоактивных изотопов определяемого элемента при облучении пробы ядерными или гамма частицами и регистрации полученной при активации искусственной радиоактивности. В настоящее время имеется целый ряд разновидностей радиоактивационного анализа.

Тип распада и энергия излучения образовавшегося радиоизотопа характеризует природу искомого элемента. При облучении пробы, содержащий стабильный нуклид (А), он превращается а радионуклид (В), называемого индикаторным радионуклидом(ИРН). При этом ядерная реакция, как уже было отмечено, индуцируется при воздействии на материал мишени бомбардирующих частиц (х), которыми могут быть нейтроны, заряженные частицы (протоны, дейтроны, тритоны, ⁴Не и ³Не) или гамма кванты. В результате ядерная реакция может быть представлена в следующем виде:

А+х>[С]>В+у+Q

y-испускаемые частицы.

Преобладающим механизмом ядерных реакций, используемых для активационного анализа, является образование составного ядра [С]. Этот механизм состоит из 2-х этапов:

1) захват бомбардирующей частицы стабильным нуклидом с образованием составного ядра в возбужденном состоянии

2) релаксация(распад) составного ядра путем испускания частицы или гамма кванта

При этом время жизни составного ядра мала (релаксация составного ядра происходит за ядерное время(10^-23-10^-21сек), т.е. за время, которое необходимо, чтобы бомбардирующая частица пересекла ядро нуклида).

Конкретное составное ядро, образовавшееся при захвате бомбардирующих частиц, может распадаться с различной вероятностью несколькими путями:

А+х>[С]>В₁+у₁

> В₂+у₂

>В₃+у₃ и т.д.

Таким образом, поглощение ядром А налетающей частицы может привести к нескольким разным ядерным реакциям, протекающим с различной вероятностью. Число возможных реакций увеличивается с увеличением кинетической энергии бомбардирующей частицы.

Интенсивность радиоактивности изотопа А сразу после облучения пробы равна:

А=FуN (1 - e^-лt)



F-плотность потока облучающих частиц (число частиц/см²); у-сечение ядерной реакции (вероятность перехода атомов атомизирующего образца в радиоактивный изотоп) (см²); N-число атомов определяемого элемента;л-постоянная распада, равная 0,693/T_1/2; t-время облучения.

Через некоторое время T после облучения радиоактивность образовавшегося изотопа составляет:

А_т= FуNе^-р(1 - e^-лt)

N=N_Amk/M

m-масса рпределяемого элемента(гр); к-относительное содержание активирующего изотопа в элементе; М-молярная масса элемента, из которого образуется радиоизотоп; N_A=6,02·10²³ моль^-1-постоянная Авогадро. Отсюда получаем:

m= А_т M/N_AFуk (1 - e^-лt) (1 - e^-лT)

Это абсолютный метод определения массы элемента. Но из-за сложности расчета F и у, его практически не применяют, а используют метод сравнения с близким по составу образцом с известным содержанием определяемого элемента, который облучают одновременно с исследуемой пробой. Тогда

m'_x/m_ст=J_x/J_ст

m'_x, m_ст-массы, J_x, J_ст-радиоактивности пробы и стандарта соответственно.

В зависимости от характера облучающих частиц различают 4 типа активационного анализа: нейтронноактивационный анализ на тепловых нейтронах(НАА), активационный анализ на быстрых нейтронах(БНАА), активационный анализ на заряженных частицах(ЗЧАА) и фотонный активационный анализ(ФАА).В нейтронноактивационном методе используются тепловые(медленные) нейтроны с Е=0,025эВ, способные активировать почти все химические элементы, начиная с Na. Основное преимущество нейтронов низких энергий в том, что они вызывают только одну ядерную реакцию, сечение которой, как правило, очень велико. Нейтрон захватывается ядром определяемого элемента, причем в основном происходит n, -реакции, в результате которых получается изотоп того же элемента с атомной массой на единицу большей, например

¹⁵¹Eu+¹n=¹⁵²Eu+

Образующийся дочерний изотоп обычно радиоактивен, и по его радиоактивности определяют нужный элемент. Например

¹⁵²Eu=¹⁵²Сd+^-

²⁷Al (n,)²⁸Al=²⁸Si+^-

⁹Be (n,)⁹Be=¹⁰B+^-

При использовании быстрых нейтронов с энергией порядка 14МэВ возмоно протекание реакций с выделением протонов или -частиц:

²⁷Al (n,)²⁷Мg=²⁷Al+^-

²⁷Al (n, ²⁴Na=²⁴Мg+^-

Быстрые нейтроны используют в основном для активации легких элементов (N, O, F).

Существуют различные источники нейтронов. Их действие основано на использовании ядерных реакций, сопроваждающихся выделением нейтронов, мощность потока которых может быть различной. Наиболее мощный поток дает ядерный реактор-до 10¹⁵ нейтронов/см² ·с. Нейтронные генераторы, являющиеся источником быстрых нейтронов по реакции (данная реакция протекает в водородной бомбе и на Солнце)

²H+³H=⁴He+¹n

обеспечивает поток до 10¹¹ нейтронов/см² ·с.

Простейшие нейтронные источники (ампульные) содержат либо спонтанно делящиеся ядро радионуклида ²⁵²Сf (является основным компонентом ЯЗОРДов), либо однородную смесь порошков Ве и б-активного нуклида(²¹⁰Po,²²⁶Ra,²³⁹Pu,²⁴⁴Am).Наиболее употребительны радий-бериллиевые и полоний-бериллиевые источники, которые используют реакцию

⁹Ве+⁴He=¹²С+¹n

Поток нейтронов достигает 10⁵-10⁶ нейтрон/см²·с.

Одновременно с n, реакцией могут протекать и реакции иного типа с определяемым элементом, мешающие основной. Например, наряду с ³⁵Сl (n,)³⁶Cl идет реакция ³⁵Сl (n, ³²Р. Мешающее влияние могут оказывать и побочные (так называемые интерферирующие) реакции с элементом-основой или реакции с уже образовавшимися изотопами.

Активацию заряженными частицами (протон, дейтрон и ⁴He) применяют в тех случаях, когда отсутствует подходящий источник нейтронов или когда образовавшийся в результате реакции изотоп непригоден для работы, например из-за малого сечения ядерной реакции. Это касается в первую очередь легких элементов. Например, облучение протонами используется при определении азота по реакции



¹⁴N (p, n)¹⁴O=в⁺+¹⁴N (p, б)¹¹C+ в⁺

Применяют также облучение дейтронами, например при определении магния

²⁶Mg (d, б)²⁴Na+

При -активационном анализе используют радиоизотопы -излучатели ¹²⁴Sb,²⁴¹Am либо ускорители, в которых тормозное -излучение возникает при взаимодействии потока электронов с атомами ряда тяжелых металлов. Определяют в основном легкие элементы: O₂, С, N₂.

C использованием -лучей связан фотонно-нейтронный метод анализа, основанный на измерении интенсивности нейтронного излучения, возникающего в результате ядерной реакции с -квантами. Это специфический метод определения Be и ²H, поскольку Е_св нуклонов только в ядрах этих элементов меньше Е -квантов радиоактивного распада. Для всех остальных ядер она больше, и для активации требуются ускорители.

Радиоактивационный анализ осуществляется в 2-х вариантах:

1) с химической подготовкой образца (радиохимический вариант)

2) без химической подготовки образца (инструментальный вариант)

Химическая подготовка проводится либо после облучения для отделения нужных радионуклидов от мешающих, либо перед облучением с целью удаления сильно активирующих элементов или матрицы. Инструментальный вариант, в котором облученные образца исследуют без разрушения, пригоден особенно тогда, когда образующийся радионуклид характеризуется малым временем полураспада. Возможности инструментального варианта определяются уровнем развития измерительной(счетной) техники, использованием полупроводниковых детекторов и многоканальных анализаторов импульсов. Достоинством активационного анализа являются: высокая, иногда рекордная чувствительность. Предел обнаружения некоторых элементов составляет 10^-11%; высокая специфичность, возможность определения большого числа элементов (до 30-35) из одной навески образца, малая величина требуемой навески; часто неразрушаемость пробы; отсутствие поправки на контрольный опыт, так как в большинстве случаев химическая обработка проводится после облучения образца. При получении тяжелых элементов ПСХЭ, таких, как Md, Rf(Ku), исследователям удавалось считать почти каждый атом полученного элемента.

К недостаткам метода можно отнести: малую доступность источников активирующих частиц (в ряде случаев требуется ядерный реактор); необходимость защиты от радиоизлучений; сложности, возникающие при анализе образцов с сильно активирующейся матрицей.

Активационный метод получил широкое распространение в анализе веществ высокой чистоты, биологических и геологических объектов, в экологических и криминалистических исследованиях. Например: при исследовании слоев торфа в районе падения Тунгузского метеорита методом нейтронно-активационного анализа обнаружено повышенное содержание Эr, что указывает на космический и, возможно, кометный состав тела. Аномально высокое содержание Эr в отложениях эпохи около 65 млн. лет назад (приведшее к массовому вымиранию биоты (биота от греч. biote жизнь-исторически сложившаяся совокупность видов живых организмов, объединенных общей областью распространения в настояшее время или в прошедшие геологические эпохи. В состав биоты входят как клеточные, так и бесклеточные организмы) подтверждает возможность столкновения Земли с космическим телом.

Также был проведен нейтронно-активационный анализ волос Исаака Ньютона в английском ядерном центре в Олдермастоне. Для исследования на присутствие Au и Hg облучение нейтронами продолжалось 5 дней, а на As, Sb, Ag-до 14 дней. Оказалось, что содержание Ме с высокой токсичностью значительно превышало нормальный уровень. Так количество Hg в волосах Ньютона в 40 раз превосходило норму. Полученные данные подтверждают предположение о том, что Ньютон в течение длительного времени болел вследствие ртутного отравления.

Применение активационного анализа позволило решить многие геохимические и общенаучные проблемы, например связанные с установлением возраста минералов и образцов органического происхождения. Например хорошо известный радиометрический способ определения возраста древних предметов и изделий органического происхождения основан на том, что в атмосфере в результате ядерной реакции постоянно образуется радиоактивный углерод ¹⁴С с периодом полураспада 5300 лет:

¹⁴N+¹n=¹⁴С+¹p

Нейтроны генерируются в атмосфере при взаимодействии космического излучения с веществом, а N₂ является составной частью атмосферы. Радиоактивный ¹⁴С образует радиоактивный ¹⁴СО₂, который вступает в биологический круговорот. Таким образом, вещества и организмы, участвующие в этом круговороте (растения, животные и т.д.), будут иметь примерно постоянную радиоактивность, пропорциональную содержанию ¹⁴С.В организмах, которые выпадают из круговорота в результате гибели, количество радиоактивного ¹⁴С не пополняется и их активность уменьшается. Таким образом, если измерить активность какого-либо древнего изделия (предмета из дерева, кожи и т.д.), то зная период полураспада ¹⁴С и общее содержание углерода в образце, можно рассчитать промежуток времени, прошедший с момента гибели организма. Этот промежуток будет характеризовать примерный возраст изделия. Анализ этим методом позволил уточнить даты многих важных событий далекой древности.

Интересным примером применения активационного анализа является предложенный недавно быстрый способ обнаружения взрывчатки. Как известно, в качестве взрывчатых веществ, обычно используют различные нитросоединения. Способ определения основан на том, что взрывчатка наряду с ¹⁴N содержит некоторое количество ¹⁵N, который при облучении ¹n превращается в ¹⁶N. Этот изотоп имеет период полураспда 7с и при его распаде кроме в-частиц происходит испускание -квантов определенной энергии. Появление в-квантов с энергией, характерной для распада ¹⁶N, после облучения вещества ¹n является сигналом о наличии азотсодержащегося вещества, возможно взрывчатки.

Измерение аналитического сигнала в биологических методах.

Биологические методы анализа-методы качественного обнаружения и количественного определения органических и неорганических соединений, основанные на применении живых организмов в качестве аналитических индикаторов. Для жизнедеятельности, роста, размножения, функционирования живых существ необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, например при исключении из питательной среды какого-либо компонента или при введении дополнительного(определяемого) соединения, организм через какое-то время, иногда практически сразу падает соответствующий ответный сигнал. Установление связи характера или интенсивности ответного сигнала организма (называемого индикаторным) с количеством введенного в среду или исключенного из среды компонента служит для его обнаружения или определения. Ответный сигнал индикаторного организма на нарушение химического состава среды может быть самым разнообразным: изменение характера поведения, интенсивности роста, скорости метаморфоза, состава крови, биоэлектрической активности органов и тканей, нарушение функций органов пишеварения, размножения, дыхания, патологоанатомического изменения организма, летальный исход. Например, при применении микроорганизмов в качестве аналитических индикаторов исследуемый компонент можно определять по характеру и интенсивности пигментации и люминесценции (для фотобактерий), динамике накопления биомассы, диаметру зоны угнетения роста микробов, изменению электропроводности растворов рН, по качественному составу и интенсивности газообмена и другие. Все изменения оценивают визуально или измеряют с помощью приборов, например спектрофотометров, аналитических весов, потенциометров. Для обработки сигналов индикаторного организма применяют вычислительную технику. Диапазон определяемых содержаний веществ, как и предел обнаружения, зависит от ряда факторов: направленности и продолжительности воздействия химических соединений на организм, температуры и рН среды, уровня организации биологического объекта, его индивидуальных, возрастных половых особенностей и другие. Предел обнаружения понижается с увеличением продолжительности наблюдения за индикаторным организмом и повышением температуры (до температуры свертывания белка). Эксперимент может продолжаться до 40-50 суток. Предел обнаружения C_min можно оценить по уравнению:

C_minф=к

ф-интервал времени с момента начала воздействия до появления аналитического сигнала, n и к-эмпирические константы, зависящие от биологической активности организма и определяемого вещества в растворе. Значения n и к неодинаковы для разных видов организмов и могут характеризовать избирательность биологических методов анализа. Иногда, даже при учете ряда переменных факторов, влияющих на предел обнаружения, ответная реакция организма на одно и то же количество определяемого вещества не воспроизводится. Эти отклонения трудно объяснимы и описываются законами математической статистики. Аналитическими индикаторами в биологических методах являются микроорганизмы (бактерии, дрожжи, плесневые грибы), водоросли и высшие растения, водные беспозвоночные и зпозвоночные животные (простейшие, ракообразные, моллюски, личинки комаров, олигохеты (малощетинковые черви), пиявки, рыбы и другие), насекомые, черви, а также ткани, различные органы и системы (нервная, кровеносная, половая и другие) теплокровных.

Все вещества по отношению к живым организмам можно условно разделить на:

1) жизненно необходимые

2) токсичные

3) физиологически неактивные

Очевидно, только в двух первых случаях можно ожидать сравнительно быструю ответную реакцию организма (аналитический сигнал). Физиологически неактивные вещества могут дать отдаленный результат, или их можно перевести в активное состояние в результате реакций взаимодейтвия с ингибиторами, либо стимуляторами процессов жизнедеятельности организмов. Выбор способа регистрации ответного сигнала на заключительной стадии выполнения анализа зависит как от целей анализа, так и от механизма и степени взаимодействия определяемого вещества и индикаторного организма. Чем сложнее организм, тем большее число его жизненных функций можно использовать в качестве аналитических индикаторов, тем выше информативность биологических методов анализа. Ответный сигнал индикатороного организма на одно и то же вещество зависит от концентрации последнего: малые концентрации обычно стимулируют процессы жизнедеятельности организма, высокие угнетают. Существенное повышение концетрации биологически активного вещества приводит к летальному исходу.

По чувствительности биологические методы анализа превосходят химические методы, сопоставимы, как правило, с традиционными физическими методами анализа, уступая таким современным спектроскопическим методам, как атомная адсорбция с термической атомизацией, атомная эмиссия с возбуждением в высокочастотной плазме, методу инверсионной вольтамперометрии и некоторым другим. Важным преимуществом биологических методов является их простота, отсутствие дорогостоящего и сложного оборудования, необходимого для выше указанных методов. Избирательность этих методов, которая не всегда достаточно высока, может быть повышена обычными способами: разделением, маскированием, изменением параметров среды (температура, pH).Биологические методы часто не являются экспрессными, но их достоинства заключаются в том, что они не требуют специальной пробоподготовки и выделения определяемого соединения, позволяют проводить анализ вод, почв в экспедиционных условиях непосредственно на месте отбора проб. С их помощью возможно значительно упростить анализ самых разных, в частности природных объектов, оценивая на первой его стадии степень общего загрязнения и общей токсичности объекта для живого организма и целесообразность его дальнейшего детального анализа другими более сложными и дорогостоящими методами.

Следует отметить, что в последнее время все большее внимание ученых привлекают растительные индикаторы. Так, например по скорости роста, увеличению массы, разветвленности корней растений можно оценить содержание в почве тяжелых металлов (Pb, Cd).Рассмотрим применение индикаторных организмов в анализе.

Использование позвоночных для определения микроколичеств вещества.

Классическими индикаторными организмами, широко используемыми для решения многих медико-биологических проблем, являются амфибии. На изолированных органах и тканях лягушки Rana ridibunda либо на всем организме проверяется физиологическая активность многих фармацевтических препаратов. Биопотенциал нервной ткани можно использовать в качестве индикатора для определения концентрации кислот и щелочей, некоторых тяжелых металлов. По усилению либо угнетению биоэлектрической активности седалищного нерва лягушки можно оценить содержание хлорида марганца.

В биологических методах анализа возможно использование вазомоторных реакций организма млекопитающих. Известны несколько путей, по которым реализуется действие химических соединений на тонус сосудов: мембрану гладкомышечных тканей, метаболизм сосудов, специфические клеточные рецепторы сосудов и т.д. Высокой чувствительностью к микроэлементам обладают мозговые сосуды, что позволяет определять следовые количества кадмия, ртути, свинца, марганца, кобальта, никеля, меди; при этом предел обнаружения, например, меди(II) составляет 0,6 нгр.

Использование беспозвоночных в качестве индикаторных организмов.

Ответным сигналом простейших на изменение химического состава среды является раздражение, приводящее к каким-либо изменениям других биохимических и физиологических функций организма.

Наиболее изученными с точки зрения использования в аналитических целях являются инфузории Paramecium caudatum. C их помощью возможно определение ионов тяжелых металлов, однако они непригодны для обнаружения и определения анионов. Скорость движения инфузорий повышается при введении в среду их обитания микроколичеств этанола, сахарозы, фурфурола(C₅H₄O₂- от лат. furfur-отруби-жидкость с запахом свежего ржаного хлеба), альдегидов, уксусной кислоты, хлоридов кальция и аммония; добавление хлорида бария замедляет движение клеток. Элементоорганические соединения при определенных концентрациях могут действовать как стимуляторы их размножения. Поведенческие реакции, скорость размножения инфузорий используют для определения указанных выше веществ.

Водных беспозвоночных - ракообразных (чаще всего ветвистоусых рачков, дафний) широко применяют для оценки санитарно-гигиенического состояния вод. В качестве аналитического сигнала в этом случае используют некоторые физиологические показатели: выживаемость, поведенческие реакции, частоту движения ножек, период сокращения сердца (у дафний), окраску тел погибших организмов. Патологические процессы в организмах в зависимости от концентрации определяемого химического соединения могут протекать быстро: сначала наблюдается общее возбуждение, переходящее в депрессию, а затем в результате нарушения деятельности органов движения, дыхания, кровеносной и нервной систем наступают потеря подвижности и летальный исход.

Регистрацию изменения скорости и траектории движения, фототаксического поведения насекомых (личинок комаров, жука долгоносика, дрозофилы), выживаемости этих организмов используют для определения остаточных количеств пестицидов в воде, экстрактах из почв, растительных и животных тканях.

Наблюдения под микроскопом формы и скорости движения червей, например нематод, пиявок и коловраток, фиксирование продолжительности их жизни позволяют определять микроколичества ионов металлов. В зависимости от концентрации металла в растворе нематоды ведут себя по-разному: в разбавленных растворах они быстро изгибаются то в одну, то в другую сторону, совершая как бы S-образные движения; с повышением концентрации движения становятся вялыми, замедляются. При достижении определенной критической концентрации металла организмы могут погибнуть, о чем свидетельствует выпрямление их тел. Методами последовательного разбавления анализируемого раствора до отрицательной реакции нематод на введение ионов, а также фиксирования продолжительности их жизни в зависимости от концентрации ионов металлов возможно определение микрограммовых количеств серебра, кадмия, цинка и меди.

Микроорганизмы как аналитические индикаторы.

К широко используемым в неорганическом анализе микроорганизмам относятся плесневые грибы рода Aspergillus. Наибольшим токсическим действием на эти культуры обладают нитраты ртути (II), кадмия, таллия, что объясняется блокированием ими SH-групп молекул белка микроорганизмов.

Грибы как аналитические индикаторы широко используют при анализе почв на содержание (на уровне 1 пг/мл - 10 нг/мл) биогенных элементов минерального питания высших растений, например цинка, меди, марганца, железа, молибдена. Возможно также определять в почвах усвояемые формы калия, фосфора, углерода, азота, серы. При этом учитывают то, что эффективности физиологического воздействия различных элементов на растения и микроорганизмы принципиально не различаются. Микробиологические методы анализа в данном случае часто оказываются более информативными, чем химические, так как позволяют определять не валовое содержание элементов, а их физиологически активные формы, влияющие на жизнедеятельность растений. Это позволяет наиболее полно характеризовать плодородие почв.

Ростовые реакции микроорганизмов, изменяющиеся под действием различных химических соединений, применяют в анализе природных и сточных вод. С использованием бактерий и дрожжей разработан диффузионный метод обнаружения в сточных водах фенолов, нефтепродуктов, фосфор- и элементоорганических соединений.

Чрезвычайно высокой чувствительностью определения некоторых биологически активных соединений отличается биолюминесцентный метод, основанный на реакции окисления кислородом воздуха субстрата люциферина (от лат. lucifer-несущий свет-класс светоизлучающих биологических пигментов, обнаруженных в организмах, способных к биолюминесценции), катализируемой ферментами люциферазами, выделенными из различных видов морских светящихся бактерий Photobacterium, Beneckea или жуков-светляков. Наряду с люциферином и люциферазой для протекания указанной реакции необходима аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая участвует в многочисленных метаболических реакциях в организме, являясь аккумулятором энергии и ее источником для самых разных процессов, протекающих в живой клетке. Содержание АТФ в тканях, растительных и живых клетках свидетельствует об энергетическом состоянии клеток. При угнетающем или стимулирующем действии каких-либо веществ на рост микроорганизмов содержание АТФ в них соответственно понижается или повышается. Специфичность действия люциферазы светляков по отношению к АТФ, высокий квантовый выход реакции позволили создать на этой основе высокочувствительные и селективные методы определения АТФ, а также различных метаболитов, в процессе превращения которых образуется АТФ. Биолюминесцентный метод определения содержания АТФ в живых (растущих или гибнущих) клетках используют для экспресс-определения антибиотиков в крови, микробных бактерий в моче, для изучения повреждения клеточных мембран и других биохимических анализах и исследованиях.

Микроорганизмы широко применяют при изучении антибиотической активности веществ, их биологической роли, контроле технологических процессов промышленного производства антибиотиков, витаминов и аминокислот. Следует отметить еще один важный аспект применения микроорганизмов в химическом анализе - концентрирование и выделение микроэлементов из разбавленных растворов. Потребляя и усваивая микроэлементы в процессе жизнедеятельности, микроорганизмы могут селективно накапливать некоторые из них в своих клетках, очищая при этом питательные растворы от примесей. Например, плесневые грибы применяют для избирательного осаждения золота из хлоридных растворов, очистки растворов от ионов меди, цинка, железа.

Измерение аналитического сигнала в химических методах.

Гравиметрический анализ.

Гравиметрический анализ заключается в выделении вещества в чистом виде и его взвешивании. Гравиметрические определения можно разделить на 3 группы методов:

1) осаждения

2) отгонки

3) выделения

Методы осаждения основаны на осаждении определяемого компонента в виде малорастворимого химического соединения, фильтровании, прокаливании (или высушивании) до постоянной массы и последующем определении массы полученного вещества. Методы отгонки основаны на отгонке определяемого компонента в виде летучего соединения с последующим определением массы отогнанного вещества (прямое определение) или массы остатка (косвенное определение). Например прямое определение CO₂, выделяющегося при кислотном разложении карбонатов:

CaCO₃+2HCl=CaCl₂+CO₂^+H₂O

CO₂+2NaOH=Na₂CO₃+H₂O

Массу CO₂ определяют по увеличению массы поглотительной трубки, заполненной асбестом, пропитанным CaO и NaOH. Примером косвенного определения может служить метод определения кристаллизационной воды в неорганических соединениях:

BaCl₂^.2Н₂O= BaCl₂+2Н₂O (при нагревании)

Содержание кристаллизационной воды определяют по разности массы образца до и после прокаливания.

Методы выделения основаны на количественном выделении определяемого компонента из анализируемого раствора путем химической реакции с последующим определением массы выделенного вещества. Этот принцип положен в основу электрогравиметрического анализа, в котором определяемый компонент выделяется из раствора в результате электрохимических реакций, протекающих на электродах. Среди гравиметрических методов анализа наиболее широко применяют метод осаждения, который и будет рассмотрен в дальнейшем.

Сущность метода.

Гравиметрическое определение обычно состоит из нескольких этапов:

1) осаждение соединения, содержащего определяемое вещество (осаждаемая форма)

2) фильтрование полученной смеси для отделения осадка от надосадочной жидкости

3) промывание осадка для удаления надосадочной жидкости и адсорбированных примесей с его поверхности

4) высушивание при относительно низкой температуре для удаления воды или прокаливание при высокой температуре для превращения осадка в более подходящую для взвешивания форму (гравиметрическая форма)

5) взвешивание полученного осадка

Большинство аналитических методов используют зависимость между измеряемым свойством у и количеством определяемого вещества (или его концентрацией), которая в идеальном случае (отнюдь не всегда) линейна:

С=ку

где к-константа

Обычно значение к находят эмпирически, измеряя сигнал у от одного или более образцов с известной концентрацией. Из этого правила есть 2 исключения: кулонометрический и гравиметрический. В гравиметрии к-гравиметрический фактор F, который можно рассчитать непосредственно из общеизвестных констант. В общем случае:



F=а·молекулярная масса определяемого вещества/b·молекулярная масса гравиметрической формы

а и b-числа, необходимые для уравнивания числа молей определяемого вещества в числителе и знаменателе. Различают осаждаемую форму-форма в виде которой определяемое вещество осаждают, и гравиметрическую форму осадка-форму в виде которой определяемое вещество взвешивают. Гравиметрическая форма может совпадать с осаждемой:

Ba²⁺+SO₄^2-=BaSO₄(осаждаемая форма) - нагревание> BaSO₄(гравиметрическая форма)

или отличаться от нее:

2Fe³⁺+6OH^-=2Fe(OH)₃(осаждаемая форма) - нагревание>Fe₂O₃(гравиметрическая форма)

Требования, предъявляемые к осаждаемой форме:

1) в осадок должна выделяться только осаждаемая форма. Селективность осаждения достигается не только выбором селективного осадителя, но и регулированием pH раствора и применением веществ, маскирующих посторонние примеси.

2) осадок должен быть практически не растворим. Определяемый компонент должен выделяться в осадок количественно: его концентрация в растворе после осаждения не должна превышать 10^-6M. При этом остаточное количество осаждаемого вещества находится за пределом точности взвешивания на аналитических весах (0,0002 гр).

3) осадок должен быть чистым, т.е. не должен содержать посторонние примеси. Крупнокристаллические осадки получаются более чистыми, чем мелкокристаллические или аморфные, т.к. захватывают меньше примесей.

Требования, предъявляемые к гравиметрической форме:

1) гравиметрическая форма должна быть стехиометрическим соединением известного состава.

2) должна быть устойчива: не должна окисляться кислородом воздуха, поглощать из воздуха влагу или углекислый газ.

3) Желательно, чтобы значение F было мало (для снижения относительной погрешности результата определения нужного компонента).

Образование осадка.

При добавлении реагента-осадителя к раствору осаждаемого вещества образование твердой фазы не наблюдается более или менее длительный период. Даже если достигнуто ПР, т.е. содержание осаждаемого вещества равно растворимости или превышает ее, система остается гомогенной. Раствор, концетрация вещества в котором выше его растворимости, является пересыщенным. Такой раствор метастабилен, хотя и может существовать в отсутствие центров кристаллизации (которыми могут быть например пылинка) долгое время. Он играет роль переходного состояния. Для пересыщенного раствора существует некоторая предельная концентрация, называемого сверхрастворимостью, выше которой система становится неустойчивой, появляются мельчайшие твердые частицы-зародыши, и система из гомогенной переходит в гетерогенную.

Растворимость и сверхрастворимость зависят от природы вещества и теимпературы.

В области ниже кривой 1 раствор ненасыщен, область между кривыми 1 и 2 является метастабильной, в области над кривой 2 получаются зародыши, которые растут по мере добавления к раствору осадителя. Если добавить к раствору осаждаемого иона осадитель в количестве, не превышающем сверхрастворимость, то осадка сначала не будет, затем при достижении сверхрастворимости (точка b на кривой 2) образуются первые зародыши. Если далее добавить осадитель в количестве не превыщающем сверхрастворимости (до концентрации х) новые зародыши не образуются и осадитель тратится на рост уже имеющихся частиц. В этом случае следует ожидать образование крупнокристаллического осадка. В противном случае, если сверхрастворимость будет превышена сразу или же будет постоянно превышаться при добавлении осадителя (до у), то будут появляться все новые зародыши, в результате осадок будет мелкодисперсным. Например, несмотря на близкую растворимость осадков BaSO₄(k_s=1,3·10^-10) и AgCl(k_s=1,8·10^-10), сверхрастворимость BaSO₄ превышает растворимость в 30 раз, а AgCl менее, чем в 2 раза. Превысить сверхрастворимость AgCl легче, чем BaSO₄, в результате осадок BaSO₄-кристаллический, а AgCl-аморфный, состоящий из множества мелких частиц. Ясно, что сверхрастворимость малорастворимых осадков легче превысить, даже если она значительно отличается от растворимости и осадитель добавляют малыми порциями. Таким образом, дисперсность осадка определяется двумя процессами-образованием зародышей и ростом частиц. Скорость обоих процессов зависит от пересыщения.

Обозначим концентрацию растворенного вещества в какой-либо момент времени-Q, растворимость в состоянии равновесия-S. Относительное пересыщение равно:

(Q-S)/S

Скорость образования зародышей V₁ и скорость их роста V₂ зависят от относительного пересыщения следующим образом:

V₁=k₁ ·(Q-S)ⁿ/Sⁿ

V₂= k₂·(Q-S)/S

k₁ и k₂-константы (обычно k₂>k₁), n близко к 4. Очевидно, что при низком относительном пересыщении доминирует рост частиц, а при высоком-образование новых центров кристаллизации.

Образование зародышей может быть спонтанным (гомогенная нуклеация) и индуцированным (гетерогенная нуклеация). При гомогенной нуклеации зародыш появляется в результате скопления около одного центра группы ионов или ионных пар (под действием химических сил). При гетерогенной нуклеации ионы собираются вокруг посторонней твердой частицы (затравки, например пылинки); при этом ионы (или ионные пары) диффундируют к поверхности затравки и адсорбируются на ней. На практике имеет место гетерогенная нуклеация, поскольку в растворе всегда достаточно посторонних твердых частиц. К сожалению, основные теоретические положения относятся к спонтанной нуклеации.

Рассмотрим образование зародышей с термодинамической и кинетической точек зрения. Зародыш очень маленькая частица, поэтому большинство образующих его ионов находятся на внешней части-гранях, ребрах, углах. Такие ионы обладают повышенной свободной энергией, так как сила, действующая со стороны свободных ионов, больше, чем со стороны растворителя. Зародыш с максимальным поверхностным натяжением называется критическим. Он играет роль активированного комплекса в химической реакции. Все зародыши, не достигшие критического размера, распадаются, а достигшие его-растут. Процесс образования зародышей проходит индукционный период, продолжительность которого зависит от концентрации и природы ионов.

t=kcⁿ,

n=2,5-9

Нет однозначного указания на размеры критического зародыша. Если руководствоваться термодинамическим подходом (исходя из значений поверхностного натяжения), он должен содержать около ста ионов. Если же исходить из прямой зависимости индукционного периода от скорости образования зародышей, то критический зародыш должен быть очень небольшим (от 2 до 9 ионов), например (CaF₂)₃, (BaSO₄)₄.

Рост частиц включает 2 стадии: диффузию вещества к их поверхности и кристаллизацию. Какая из этих стадий будет лимитирующей, зависит от скорости осаждения и концентрации реагирующих ионов. При медленном осаждении лимитирующей стадией является кристаллизация, частица при этом окружена однородным слоем оосаждающихся ионов и в результате получаются кристаллы более или менее правильной формы. При высоких концентрациях ионов лимитирующей стадией может стать диффузия. Тогда подвод вещества к углам и ребрам будет больше, чем к граням. В результате получаются нити, усы, дендриты, кристаллы неправильной формы с большой поверхностью.

Большую роль при формировании осадка играет относительное пресыщение раствора. Чем выше относительное пресыщение раствора, тем больше зародышей образуется в данный отрезок, тогда осадок состоит из большого числа мелких частиц. Наоборот, при низком относительном пресыщении зародышей образуется мало, они при дальнейшем добавлении в раствор осадителя увеличиваются в размерах-выпадает осадок, состоящий из крупных кристаллов. С величиной относительного пресыщения связано 2 фактора, определяющих свойства осадков: